Loading...
Publication
Computing self-sustainment voltages in high pressure air
| Name: | Description: | Size: | Format: | |
|---|---|---|---|---|
| 22.78 MB | Adobe PDF |
Authors
Advisor(s)
Abstract(s)
Este trabalho propõe um método para avaliar tensões de disrupção de descargas de baixa corrente e alta pressão em configurações com fraca não-uniformidade do campo.
Todas as configurações estudadas, compostas por dois elétrodos separados por um espaçamento, foram construídas utilizando um pacote de software baseado no método numérico de elementos finitos. As equações do modelo de fluido foram configuradas para modelizar ar a 1 atm presente no espaçamento, com um esquema simplificado de processos químicos de plasma envolvendo eletrões, um ião positivo e três iões negativos.
O critério de Townsend para a determinação da tensão de auto-sustentação é matematicamente alargado a descargas multidimensionais. O critério alargado, baseiase na análise da descarga ao longo das linhas de campo elétrico. No entanto, o novo critério continua a ser válido apenas para configurações com gases eletronegativos dominados pela deriva.
Este trabalho propõe uma abordagem mais geral para a obtenção da descarga autónoma, válida também para gases eletropositivos e/ou onde a difusão pode ser significativa. Esta abordagem foi designada de ‘método de ressonância’ e pode ser aplicada a descargas quase-estacionárias de baixa corrente em gases a pressão elevada. O método baseia-se no reconhecimento de que o sistema de equações de fluidos é linear na ignição da descarga e que a sua solução constitui um problema de valores próprios sendo a tensão aplicada o valor próprio. É estabelecido um procedimento sistemático para a obtenção da descarga autónoma. Cada passo baseia-se em cálculos estacionários. O método proposto permitiu investigar a relação entre as tensões de auto-sustentação e de disrupção.
É dada especial atenção a uma configuração simples que modeliza um interruptor. Para esta configuração axissimétrica, o método de ressonância calculou duas tensões de auto-sustentação utilizando duas condições fronteira sobre o dielétrico. A modelização não-estacionária calculou duas tensões de disrupção; a tensão de primeira-disrupção e a de disrupção-repetitiva, resultantes de duas condições iniciais. Os cálculos não-estacionários basearam-se na utilização da tensão de auto-sustentação, previamente calculada pelo método de ressonância. Os resultados mostram que, com condições de fronteira adequadas, as tensões de auto-sustentação concordam com as tensões de disrupção calculadas. Este acordo traduz-se numa redução significativa do tempo computacional necessário para estimar a tensão de disrupção de uma configuração.
This work proposes a method for evaluating breakdown voltages of low-current, high pressure discharges in setups with weak Öeld non-uniformity. All studied setups, composed of two electrodes separated by a gap, were constructed using a numerical Önite element method software package. Fluid model equations were coded to model air at 1 atm Ölling the gap, with a simpliÖed scheme of plasmachemical processes involving electrons, a positive ion and three negative ions. The Townsend criterion for determining the self-sustainment voltage, is mathe matically extended to multidimensional discharges. The extended criterion is based on analyzing the discharge along electric Öeld lines. The new criterion is still, however, only valid for setups with drift dominated electronegative gases. This work proposes a more general approach for obtaining the self-sustaining dis charge, valid also for electropositive gases and/or where di§usion may be signiÖcant. This approach is called the ëresonance methodíand is applicable to low-current quasi stationary discharges in high-pressure gases. The method is based on recognizing that the system of áuid equations is linear at discharge ignition, and that its solution con stitutes an eigenvalue problem with the applied voltage being the eigenparameter. A systematic procedure is laid out to obtain the self-sustaining discharge. Each step of the procedure is based on stationary calculations. The proposed method allowed to research the relation between self-sustainment and breakdown voltages. Special attention is given to a simple setup modeling a circuit-breaker. For this axi-symmetric setup, the resonance method, using two boundary conditions over the dielectric, calculated two self-sustainment voltages. Non-stationary modeling, using two initial conditions, calculated two breakdown voltages; the Örst-breakdown and repetitive-breakdown voltages. The non-stationary calculations relied on using the self-sustainment voltages as calculated by the resonance method. Results show that, with the proper boundary conditions, the self-sustaining voltages agree well with the obtained breakdown voltages. This agreement translates into a signiÖcant reduction of the computational time needed to estimate the breakdown voltage of a setup.
This work proposes a method for evaluating breakdown voltages of low-current, high pressure discharges in setups with weak Öeld non-uniformity. All studied setups, composed of two electrodes separated by a gap, were constructed using a numerical Önite element method software package. Fluid model equations were coded to model air at 1 atm Ölling the gap, with a simpliÖed scheme of plasmachemical processes involving electrons, a positive ion and three negative ions. The Townsend criterion for determining the self-sustainment voltage, is mathe matically extended to multidimensional discharges. The extended criterion is based on analyzing the discharge along electric Öeld lines. The new criterion is still, however, only valid for setups with drift dominated electronegative gases. This work proposes a more general approach for obtaining the self-sustaining dis charge, valid also for electropositive gases and/or where di§usion may be signiÖcant. This approach is called the ëresonance methodíand is applicable to low-current quasi stationary discharges in high-pressure gases. The method is based on recognizing that the system of áuid equations is linear at discharge ignition, and that its solution con stitutes an eigenvalue problem with the applied voltage being the eigenparameter. A systematic procedure is laid out to obtain the self-sustaining discharge. Each step of the procedure is based on stationary calculations. The proposed method allowed to research the relation between self-sustainment and breakdown voltages. Special attention is given to a simple setup modeling a circuit-breaker. For this axi-symmetric setup, the resonance method, using two boundary conditions over the dielectric, calculated two self-sustainment voltages. Non-stationary modeling, using two initial conditions, calculated two breakdown voltages; the Örst-breakdown and repetitive-breakdown voltages. The non-stationary calculations relied on using the self-sustainment voltages as calculated by the resonance method. Results show that, with the proper boundary conditions, the self-sustaining voltages agree well with the obtained breakdown voltages. This agreement translates into a signiÖcant reduction of the computational time needed to estimate the breakdown voltage of a setup.
Description
Keywords
Descargas de baixa corrente quasi-estacionárias Ignição de descarga autónoma Método de ressonância Solvers estacionários Primeira-disrupção Disrupção-repetitiva Low-current quasi-stationary discharge Ignition of self-sustaining discharge Resonance method Stationary solvers First-breakdown Repetitive-breakdown Physics . Faculdade de Ciências Exatas e da Engenharia