[论文解读] Gasdynamic Diode: How to Stop 100-kV Streamer

N. L. Aleksandrov|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2019

Plasma Applications and Diagnostics参考文献 26被引用 3

一句话总结

本文提出了一种气动二极管机制，通过利用激波前后中性气体密度的不连续性，实现对100-kV 电晕放电的阻断。通过二维数值模拟，研究发现当密度比超过1.2时，电晕放电无法穿透高密度区域，而是沿界面传播，从而在瞬态等离子体放电中表现出单向导电性。

ABSTRACT

The conditions were found when the gaseous medium demonstrates a unidirectional conductivity on a short time scale; a gas density discontinuity forms a kind of gas-dynamic diode that allows the plasma channel to propagate in one direction and blocks its development in another. The results of a two-dimensional numerical simulation of a streamer discharge developing through a shock wave in air were presented for various neutral density discontinuities across the wave. The focus was on the case when the streamer propagated from a low density region to a high-density region. Streamer characteristics changed greatly after intersecting the shock wave. It was shown that the streamer failed to penetrate into the high-density region when the ratio between the densities in these regions was sufficiently high (> 1.2). In this case, the discharge developed along the surface between these regions after reaching the boundary between them. Streamers could penetrate into any of the high-density and low-density regions when a neutral particle density discontinuity was replaced by a gradual density change.

研究动机与目标

• 研究气态介质在短 timescale 下表现出单向导电性的条件。
• 理解激波诱导的中性气体密度不连续性如何影响空气中电晕放电的传播。
• 确定电晕放电无法穿透高密度区域的临界密度比。
• 探讨从急剧到渐变密度变化的过渡及其对电晕放电行为的影响。

提出的方法

• 对空气中的激波通过电晕放电发展的二维数值模拟。
• 模拟电晕放电动力学在由激波形成的尖锐中性密度不连续面上的传播。
• 改变低密度区与高密度区之间的密度比，以评估其对电晕放电传播的影响。
• 分析电晕放电特性，如速度、形态和传播方向在穿越激波前沿后的变化。
• 对比急剧密度不连续性与渐变密度过渡下的结果。
• 追踪电离通道的演化，以识别阻断或侧向传播行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种条件下，由于激波的存在，电晕放电中会出现气动二极管效应？
• RQ2 电晕放电无法穿透高密度区域的临界密度比是多少？
• RQ3 当密度不连续性被渐变过渡取代时，电晕放电行为如何变化？
• RQ4 是什么决定了电晕放电是穿透高密度区域，还是被阻断并沿界面重新定向？
• RQ5 激波如何影响电离通道的单向导电性？

主要发现

• 当低密度区与高密度区之间的密度比超过1.2时，电晕放电无法穿透高密度区域。
• 电晕放电未发生穿透，而是在到达边界后沿低密度区与高密度区之间的界面传播。
• 由于对密度不连续性的非对称响应，电晕放电表现出单向导电性。
• 当密度不连续性被渐变密度变化取代时，阻断效应消失，电晕放电可双向穿透。
• 电晕放电特性，包括速度和形态，在穿越激波后发生显著变化。
• 气动二极管机制可实现单向控制电离通道的发展，同时阻断反向传播。