Исследование в вычислительных экспериментах особенностей формирования и развития стримеров в воздухе
Ключевые слова:
стримерный электрический разряд в воздухе, структура электрического поля, математическое моделирование, вычислительный эксперимент
Аннотация
Цель работы — оценка актуальности и современного состояния задачи математического моделирования стримерных разрядов в воздухе, а также выявление особенностей формирования и начального этапа развития двухголовочных стримеров в воздухе в вычислительных экспериментах. Инструмент исследования — математическая модель стримерного разряда, разработанная на кафедре техники и электрофизики высоких напряжений «НИУ «МЭИ».
Показано, что математическое моделирование стримерного разряда может быть эффективно использовано при его исследованиях и в обучении специалистов в области электроэнергетики и высоковольтных электротехнологий. Представлены результаты вычислительных экспериментов по изучению возникновения стримеров в заполненном сухим воздухом разрядном промежутке с однородным электрическим полем (ЭП) при нормальных атмосферных условиях. Начальные условия выбраны так, чтобы реализовался однолавинно-стримерный механизм формирования стримеров. Показано, что в рассмотренном диапазоне начальных условий расстояние между анодом и начальной неоднородностью слабо (в пределах 1%) влияет на минимальное и максимальное значения напряжённости ЭП в стримере. Иная картина наблюдается на поверхности анода. При формировании двухголовочного стримера в глубине разрядного промежутка напряжённость поля на аноде остаётся близкой к средней напряжённости в нём. При сближении отрицательной стримерной головки с анодом напряжённость поля на его поверхности растет до значений, близких к тем, которые достигаются в положительной головке. После этого поле на аноде быстро ослабляется до уровня, делающего невозможной эффективную ударную ионизацию. Статья интересна специалистам и аспирантам, работающим в области электроэнергетики и высоковольтных электротехнологий.
Литература
1. Бортник И.М. и др. Электрофизические основы техники высоких напряжений. М: Изд-во МЭИ, 2016.
2. Понизовский А.З., Жуликов С.С., Голубев Д.В. Исследование очистки воздуха от примесей оксида азота с помощью низкотемпературной плазмы, генерируемой стримерным наносекундным коронным разрядом. М.: Изд-во МЭИ, 2021.
3. Филимонова Е.А. Кинетика процессов горения, конверсии оксидов азота и углеводородов, стимулированных наносекундными разрядами: дисс. … учён. степени доктора физ.-мат. наук. М.: ИВТАН, 2021.
4. Huiskamp T. Nanosecond Pulsed Streamer Discharges. Pt. I. Generation, Source-plasma Interaction and Energy-efficiency Optimization // Plasma Sources Sci. Technol. 2020. V. 29. P. 023002.
5. Гундарева С.В., Калугина И.Е., Темников А.Г. Об особенностях методики расчёта поражаемости наземных взрывоопасных объектов молнией // Журнал технической физики. 2016. Т. 86. № 8. С. 156—158.
6. Калугина И.Е., Темников А.Г., Гундарева С.В. Методы исследования поражаемости наземных объектов молнией. М.: Изд-во МЭИ, 2017.
7. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. Долгопрудный: Издат. дом «Интеллект», 2009.
8. Briels T.M.P. e. a. Positive and Negative Streamers in Ambient Air: Measuring Diameter, Velocity and Dissipated Energy // J. Phys. D: Appl. Phys. 2008. V. 41. P. 234004.
9. Nijdam S., Geurts C.G.C., van Veldhuizen E.M., Ebert U. Reconnection and Merging of Positive Streamers in Air // J. Phys. D: Appl. Phys. 2009. V. 42. P. 045201.
10. Куликовский А.А. Математическое моделирование стримерного пробоя газов и вычислительный эксперимент в полях различных конфигураций: автореф. дисс. … учён. степ. доктора физ.-мат. наук. М.: Изд-во МГУ, 1998.
11. Papageorgiou L., Georghiou G.E., Metaxas A.C. Three-dimensional Numerical Modeling of Gas Discharges at Atmospheric Pressure Incorporating Photoionization Phenomena // J. Phys. D: Appl. Phys. 2011. V. 44. P. 045203.
12. Белогловский А.А., Верещагин И.П. Трёхмерное математическое моделирование стримерного разряда в воздухе с учётом ветвления: экономичный расчёт электрического поля // Электричество. 2011. № 11. С. 17—24.
13. Luque A., Ebert U. Density Models for Streamer Discharges: Beyond Cylindrical Symmetry and Homogeneous Media // J. Computational Phys. 2012. V. 231. Pp. 904—918.
14. Верещагин И.П., Белогловский А.А., Колобайцев М.А., Мирзабекян Г.З. Влияние фотоионизации на распространение катодонаправленных стримеров в воздухе // Вестник МЭИ. 2012. № 2. С. 67—72.
15. Zhu Yu., Zhang X., He J. Predicting Streamer Discharge front Splitting by Ionization Seed Profiling // Phys. Plasmas. 2019. V. 26. P. 023513.
16. Bagheri B., Teunissen J. The Effect of the Stochasticity of Photoionization on 3D-streamer Simulations // Plasma Sources Sci. Technol. 2019. V. 28. P. 045013.
17. Белогловский А.А. Оценка влияния формы лавинно-стримерного перехода на распространение катодонаправленного стримера в воздухе // Вестник МЭИ. 2016. № 3. С. 29—34.
18. Юргеленас Ю.В. Алгоритм расчёта динамики заряженных частиц в диффузионно-дрейфовой модели стримера // Физико-технические проблемы передачи электрической энергии. М.: Изд-во МЭИ, 1998. С. 121—160.
19. Калиткин Н.Н. Численные методы. СПб.: БХВ-Петербург, 2014.
---
Для цитирования: Белогловский А.А., Белоусов С.В., Галимова А.В. Исследование в вычислительных экспериментах особенностей формирования и развития стримеров в воздухе // Вестник МЭИ. 2022. № 6. С. 61—67. DOI: 10.24160/1993-6982-2022-6-61-67
#
1. Bortnik I.M. i dr. Elektrofizicheskie Osnovy Tekhniki Vysokikh Napryazheniy. M: Izd-vo MEI, 2016. (in Russian).
2. Ponizovskiy A.Z., Zhulikov S.S., Golubev D.V. Issledovanie Ochistki Vozdukha ot Primesey Oksida Azota s Pomoshch'yu Nizkotemperaturnoy Plazmy, Generiruemoy Strimernym Nanosekundnym Koronnym Razryadom. M.: Izd-vo MEI, 2021. (in Russian).
3. Filimonova E.A. Kinetika Protsessov Goreniya, Konversii Oksidov Azota i Uglevodorodov, Stimulirovannykh Nanosekundnymi Razryadami: Diss. … Uchen. Stepeni Doktora Fiz.-mat. Nauk. M.: IVTAN, 2021. (in Russian).
4. Huiskamp T. Nanosecond Pulsed Streamer Discharges. Pt. I. Generation, Source-plasma Interaction and Energy-efficiency Optimization. Plasma Sources Sci. Technol. 2020;29:023002.
5. Gundareva S.V., Kalugina I.E., Temnikov A.G. Ob Osobennostyakh Metodiki Rascheta Porazhaemosti Nazemnykh Vzryvoopasnykh Obektov Molniey. Zhurnal Tekhnicheskoy Fiziki. 2016;86;8:156—158. (in Russian).
6. Kalugina I.E., Temnikov A.G., Gundareva S.V. Metody Issledovaniya Porazhaemosti Nazemnykh Obektov Molniey. M.: Izd-vo MEI, 2017. (in Russian).
7. Rayzer Yu.P. Fizika Gazovogo Razryada. Dolgoprudnyy: Izdat. Dom «Intellekt», 2009. (in Russian).
8. Briels T.M.P. e. a. Positive and Negative Streamers in Ambient Air: Measuring Diameter, Velocity and Dissipated Energy. J. Phys. D: Appl. Phys. 2008;41:234004.
9. Nijdam S., Geurts C.G.C., van Veldhuizen E.M., Ebert U. Reconnection and Merging of Positive Streamers in Air. J. Phys. D: Appl. Phys. 2009;42:045201.
10. Kulikovskiy A.A. Matematicheskoe Modelirovanie Strimernogo Proboya Gazov i Vychislitel'nyy Eksperiment v Polyakh Razlichnykh Konfiguratsiy: Avtoref. Diss. … Uchen. Step. Doktora Fiz.-mat. Nauk. M.: Izd-vo MGU, 1998. (in Russian).
11. Papageorgiou L., Georghiou G.E., Metaxas A.C. Three-dimensional Numerical Modeling of Gas Discharges at Atmospheric Pressure Incorporating Photoionization Phenomena. J. Phys. D: Appl. Phys. 2011;44:045203.
12. Beloglovskiy A.A., Vereshchagin I.P. Trekhmernoe Matematicheskoe Modelirovanie Strimernogo Razryada v Vozdukhe s Uchetom Vetvleniya: Ekonomichnyy Raschet Elektricheskogo Polya. Elektrichestvo. 2011;11:17—24. (in Russian).
13. Luque A., Ebert U. Density Models for Streamer Discharges: Beyond Cylindrical Symmetry and Homogeneous Media. J. Computational Phys. 2012;231:904—918.
14. Vereshchagin I.P., Beloglovskiy A.A., Kolobaytsev M.A., Mirzabekyan G.Z. Vliyanie Fotoionizatsii na Rasprostranenie Katodonapravlennykh Strimerov v Vozdukhe. Vestnik MEI. 2012;2:67—72. (in Russian).
15. Zhu Yu., Zhang X., He J. Predicting Streamer Discharge front Splitting by Ionization Seed Profiling. Phys. Plasmas. 2019;26:023513.
16. Bagheri B., Teunissen J. The Effect of the Stochasticity of Photoionization on 3D-streamer Simulations. Plasma Sources Sci. Technol. 2019;28:045013.
17. Beloglovskiy A.A. Otsenka Vliyaniya Formy Lavinno-strimernogo Perekhoda na Rasprostranenie Katodonapravlennogo Strimera v Vozdukhe. Vestnik MEI. 2016;3:29—34. (in Russian).
18. Yurgelenas Yu.V. Algoritm Rascheta Dinamiki Zaryazhennykh Chastits v Diffuzionno-dreyfovoy Modeli Strimera. Fiziko-tekhnicheskie problemy Peredachi Elektricheskoy Energii. M.: Izd-vo MEI, 1998:121—160. (in Russian).
19. Kalitkin N.N. Chislennye Metody. SPb.: BKHV-Peterburg, 2014. (in Russian).
---
For citation: Beloglovsky A.A., Belousov S.V., Galimova A.V. Studying the Features of Streamer Formation and Development in Air by Using Computation Experiments. Bulletin of MPEI. 2022;6:61—67. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2022-6-61-67
2. Понизовский А.З., Жуликов С.С., Голубев Д.В. Исследование очистки воздуха от примесей оксида азота с помощью низкотемпературной плазмы, генерируемой стримерным наносекундным коронным разрядом. М.: Изд-во МЭИ, 2021.
3. Филимонова Е.А. Кинетика процессов горения, конверсии оксидов азота и углеводородов, стимулированных наносекундными разрядами: дисс. … учён. степени доктора физ.-мат. наук. М.: ИВТАН, 2021.
4. Huiskamp T. Nanosecond Pulsed Streamer Discharges. Pt. I. Generation, Source-plasma Interaction and Energy-efficiency Optimization // Plasma Sources Sci. Technol. 2020. V. 29. P. 023002.
5. Гундарева С.В., Калугина И.Е., Темников А.Г. Об особенностях методики расчёта поражаемости наземных взрывоопасных объектов молнией // Журнал технической физики. 2016. Т. 86. № 8. С. 156—158.
6. Калугина И.Е., Темников А.Г., Гундарева С.В. Методы исследования поражаемости наземных объектов молнией. М.: Изд-во МЭИ, 2017.
7. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. Долгопрудный: Издат. дом «Интеллект», 2009.
8. Briels T.M.P. e. a. Positive and Negative Streamers in Ambient Air: Measuring Diameter, Velocity and Dissipated Energy // J. Phys. D: Appl. Phys. 2008. V. 41. P. 234004.
9. Nijdam S., Geurts C.G.C., van Veldhuizen E.M., Ebert U. Reconnection and Merging of Positive Streamers in Air // J. Phys. D: Appl. Phys. 2009. V. 42. P. 045201.
10. Куликовский А.А. Математическое моделирование стримерного пробоя газов и вычислительный эксперимент в полях различных конфигураций: автореф. дисс. … учён. степ. доктора физ.-мат. наук. М.: Изд-во МГУ, 1998.
11. Papageorgiou L., Georghiou G.E., Metaxas A.C. Three-dimensional Numerical Modeling of Gas Discharges at Atmospheric Pressure Incorporating Photoionization Phenomena // J. Phys. D: Appl. Phys. 2011. V. 44. P. 045203.
12. Белогловский А.А., Верещагин И.П. Трёхмерное математическое моделирование стримерного разряда в воздухе с учётом ветвления: экономичный расчёт электрического поля // Электричество. 2011. № 11. С. 17—24.
13. Luque A., Ebert U. Density Models for Streamer Discharges: Beyond Cylindrical Symmetry and Homogeneous Media // J. Computational Phys. 2012. V. 231. Pp. 904—918.
14. Верещагин И.П., Белогловский А.А., Колобайцев М.А., Мирзабекян Г.З. Влияние фотоионизации на распространение катодонаправленных стримеров в воздухе // Вестник МЭИ. 2012. № 2. С. 67—72.
15. Zhu Yu., Zhang X., He J. Predicting Streamer Discharge front Splitting by Ionization Seed Profiling // Phys. Plasmas. 2019. V. 26. P. 023513.
16. Bagheri B., Teunissen J. The Effect of the Stochasticity of Photoionization on 3D-streamer Simulations // Plasma Sources Sci. Technol. 2019. V. 28. P. 045013.
17. Белогловский А.А. Оценка влияния формы лавинно-стримерного перехода на распространение катодонаправленного стримера в воздухе // Вестник МЭИ. 2016. № 3. С. 29—34.
18. Юргеленас Ю.В. Алгоритм расчёта динамики заряженных частиц в диффузионно-дрейфовой модели стримера // Физико-технические проблемы передачи электрической энергии. М.: Изд-во МЭИ, 1998. С. 121—160.
19. Калиткин Н.Н. Численные методы. СПб.: БХВ-Петербург, 2014.
---
Для цитирования: Белогловский А.А., Белоусов С.В., Галимова А.В. Исследование в вычислительных экспериментах особенностей формирования и развития стримеров в воздухе // Вестник МЭИ. 2022. № 6. С. 61—67. DOI: 10.24160/1993-6982-2022-6-61-67
#
1. Bortnik I.M. i dr. Elektrofizicheskie Osnovy Tekhniki Vysokikh Napryazheniy. M: Izd-vo MEI, 2016. (in Russian).
2. Ponizovskiy A.Z., Zhulikov S.S., Golubev D.V. Issledovanie Ochistki Vozdukha ot Primesey Oksida Azota s Pomoshch'yu Nizkotemperaturnoy Plazmy, Generiruemoy Strimernym Nanosekundnym Koronnym Razryadom. M.: Izd-vo MEI, 2021. (in Russian).
3. Filimonova E.A. Kinetika Protsessov Goreniya, Konversii Oksidov Azota i Uglevodorodov, Stimulirovannykh Nanosekundnymi Razryadami: Diss. … Uchen. Stepeni Doktora Fiz.-mat. Nauk. M.: IVTAN, 2021. (in Russian).
4. Huiskamp T. Nanosecond Pulsed Streamer Discharges. Pt. I. Generation, Source-plasma Interaction and Energy-efficiency Optimization. Plasma Sources Sci. Technol. 2020;29:023002.
5. Gundareva S.V., Kalugina I.E., Temnikov A.G. Ob Osobennostyakh Metodiki Rascheta Porazhaemosti Nazemnykh Vzryvoopasnykh Obektov Molniey. Zhurnal Tekhnicheskoy Fiziki. 2016;86;8:156—158. (in Russian).
6. Kalugina I.E., Temnikov A.G., Gundareva S.V. Metody Issledovaniya Porazhaemosti Nazemnykh Obektov Molniey. M.: Izd-vo MEI, 2017. (in Russian).
7. Rayzer Yu.P. Fizika Gazovogo Razryada. Dolgoprudnyy: Izdat. Dom «Intellekt», 2009. (in Russian).
8. Briels T.M.P. e. a. Positive and Negative Streamers in Ambient Air: Measuring Diameter, Velocity and Dissipated Energy. J. Phys. D: Appl. Phys. 2008;41:234004.
9. Nijdam S., Geurts C.G.C., van Veldhuizen E.M., Ebert U. Reconnection and Merging of Positive Streamers in Air. J. Phys. D: Appl. Phys. 2009;42:045201.
10. Kulikovskiy A.A. Matematicheskoe Modelirovanie Strimernogo Proboya Gazov i Vychislitel'nyy Eksperiment v Polyakh Razlichnykh Konfiguratsiy: Avtoref. Diss. … Uchen. Step. Doktora Fiz.-mat. Nauk. M.: Izd-vo MGU, 1998. (in Russian).
11. Papageorgiou L., Georghiou G.E., Metaxas A.C. Three-dimensional Numerical Modeling of Gas Discharges at Atmospheric Pressure Incorporating Photoionization Phenomena. J. Phys. D: Appl. Phys. 2011;44:045203.
12. Beloglovskiy A.A., Vereshchagin I.P. Trekhmernoe Matematicheskoe Modelirovanie Strimernogo Razryada v Vozdukhe s Uchetom Vetvleniya: Ekonomichnyy Raschet Elektricheskogo Polya. Elektrichestvo. 2011;11:17—24. (in Russian).
13. Luque A., Ebert U. Density Models for Streamer Discharges: Beyond Cylindrical Symmetry and Homogeneous Media. J. Computational Phys. 2012;231:904—918.
14. Vereshchagin I.P., Beloglovskiy A.A., Kolobaytsev M.A., Mirzabekyan G.Z. Vliyanie Fotoionizatsii na Rasprostranenie Katodonapravlennykh Strimerov v Vozdukhe. Vestnik MEI. 2012;2:67—72. (in Russian).
15. Zhu Yu., Zhang X., He J. Predicting Streamer Discharge front Splitting by Ionization Seed Profiling. Phys. Plasmas. 2019;26:023513.
16. Bagheri B., Teunissen J. The Effect of the Stochasticity of Photoionization on 3D-streamer Simulations. Plasma Sources Sci. Technol. 2019;28:045013.
17. Beloglovskiy A.A. Otsenka Vliyaniya Formy Lavinno-strimernogo Perekhoda na Rasprostranenie Katodonapravlennogo Strimera v Vozdukhe. Vestnik MEI. 2016;3:29—34. (in Russian).
18. Yurgelenas Yu.V. Algoritm Rascheta Dinamiki Zaryazhennykh Chastits v Diffuzionno-dreyfovoy Modeli Strimera. Fiziko-tekhnicheskie problemy Peredachi Elektricheskoy Energii. M.: Izd-vo MEI, 1998:121—160. (in Russian).
19. Kalitkin N.N. Chislennye Metody. SPb.: BKHV-Peterburg, 2014. (in Russian).
---
For citation: Beloglovsky A.A., Belousov S.V., Galimova A.V. Studying the Features of Streamer Formation and Development in Air by Using Computation Experiments. Bulletin of MPEI. 2022;6:61—67. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2022-6-61-67
Опубликован
2022-04-18
Выпуск
Раздел
Электроэнергетика (технические науки) (2.4.3)
