一种基于光电检测技术的超临界条件下气体放电过程模拟方法、模拟系统及光信号检测处理装置制造方法及图纸

一种基于光电检测技术的超临界条件下气体放电过程模拟方法、模拟系统及光信号检测处理装置，属于气体放电过程仿真方法。其气体放电过程模拟方法包括，搭建超临界氮三维可视的结构模型；利用流体模型框架建立连续性方程组，描述电子、离子在电场中产生、运动及消失过程；并根据质量守恒原理，利用连续性方程描述带电粒子时间及空间运动特性；构造FCT构造点对点净输运的通量，求解连续方程。气体放电过程模拟系统，通过光电倍增管采集放电过程的光信号；通过光信号采集器件记录放电过程微观时间尺度的时空结构。本发明专利技术在大电场梯度的计算时通过FCT构造点对点净输运的通量，精确处理高密度粒子和陡梯度势场问题，加速收敛，避免振荡现象。降低运算时长。降低运算时长。降低运算时长。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光电检测技术的超临界条件下气体放电过程模拟方法、模拟系统及光信号检测处理装置


[0001]本专利技术涉及气体放电过程模拟方法及其模拟系统，特别涉及一种基于光电检测技术的超临界条件下气体放电过程模拟方法、模拟系统及光信号检测处理装置。

技术介绍

[0002]电力系统传输电压在电力行业迅猛发展过程中不断升高，电气设备的绝缘配合会遇到更严峻的挑战。固体绝缘除结构性缺陷外，在运行过程中还会产生裂纹、气泡等随机性绝缘损伤，它们构成了电力系统中潜在的故障源。然而气体介质以其无法比拟的优越特性而广泛应用在超、特高压输电电力系统中。
[0003]由于SF6气体良好的电负性成为目前应用最广泛的气体电介质，但是SF6的使用会带来一定的温室效应，造成环境污染。在高压输电过程中，N2气体作为空气的主要成分而承担主要绝缘强度，因此研究N2气体的放电过程对保证电力系统安全运行具有重要意义。近几十年来，国内外许多研究学者对气体放电过程进行了深入研究，并取得显著成果，但是仍然不够完善。
[0004]气体放电研究的目的是要弄清楚在不同情况下放电时，电离气体的宏观现象和规律及微观上气体电离时的基本过程，并且联系宏观和微观分析，由表及里的研究气体放电机理。从气体放电的微观过程推及分析其宏观伴随的现象，由复杂并看似随机的放电现象中寻找其根本的规律。由此可知，研究各种气体放电现象的物理过程和其内在规律是气体放电研究的主要任务。
[0005]目前各种各样的气体放电已经在实验条件和生产实践中有了许多研究，但是因为气体放电的多样性，随机性，复杂性，所以对于气体放电还知之其少，处于半定量研究中，有许多现象的研究还有待更加深入。
[0006]本文采用光电检测技术，基于流体理论和气体放电特性，建立超临界(P＝3.4～10Mpa，T＝126～500K)条件下气体仿真过程。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是为了解决如何在超临界条件下建立流体放电过程带电粒子动力学行为与场函数耦合模型，如何对瞬态非线性方程进行解析的问题，而提出一种基于光电检测技术的超临界条件下气体放电过程模拟方法、模拟系统及光信号检测处理装置。
[0008]上述目的通过以下的技术方案实现：
[0009]一种基于光电检测技术的超临界条件下气体放电过程模拟方法，所述方法通过以下步骤实现：
[0010]步骤一、通过MaterialsStudio软件CASTEP模块搭建超临界氮三维可视的结构模型；
[0011]步骤二、分析放电过程，并与步骤一建立的结构模型结合显示分析出的数据，分析
出的数据通过二维、三维、图表、动画演示或矢量图形式显示；
[0012]步骤三、基于气体放电原理，利用流体模型框架建立连续性方程组，描述电子、离子在电场中产生、运动及消失过程；并根据质量守恒原理，利用连续性方程描述带电粒子时间及空间运动特性；所述的连续性方程是指，某一封闭面在某一时间内流体密度的变化，即流出的流体质量和流入的流体质量差；
[0013]步骤四、构造FCT构造点对点净输运的通量，求解步骤三建立的连续方程。
[0014]进一步地，所述的步骤三中，基于气体放电原理，利用流体模型框架建立连续性方程组，描述电子、离子在电场中产生、运动及消失过程；并根据质量守恒原理，利用连续性方程描述带电粒子时间及空间运动特性时，气体的放电过程涉及的特性描述为：
[0015]当离子为正电离子时：
[0016]a.封闭曲面方程表示为：
[0017][0018]放电流体模型由粒子连续性方程耦合泊松方程组成：
[0019]b.电子、正离子的连续性方程表示为：
[0020][0021][0022]式中，t为时间；S为光电离生成的粒子；β
ep
为正离子和电子的复合系数；η为电子的附着系数；a为电子的碰撞电离系数；D
e
为电子的扩散速度；省略正离子的扩散运动；v
p
为正离子的迁移速度，v
e
为电子的迁移速度；N
p
为正离子的空间电荷密度，N
e
为电子的空间电荷密度；
[0023]c.基于空间电荷对电场的影响，泊松方程表示为：
[0024][0025]式中：N
p
为正离子的密度，N
e
为电子的密度；ε
r
为气体的相对介电常数，ε0为真空介电常数；为电势；E为电场强度；
[0026]d.气体放电过程中，电子能量的产生和损失，电子的能量方程表示为：
[0027][0028][0029][0030]式中，n
ε
是电子能量密度，S
ε
是由于碰撞导致的能量损耗；是电场强度矢量，是电子能量通量，是电子密度通量，μ
e
是电子在电场中的迁移率，是电子能量迁移率，是电子能量的扩散系数；
[0031][0032]式中：a
i
是第j种碰撞反应的反应系数，Δε
j
是电子能量因为第j种碰撞反应导致的能量损失；N
n
是放电空间中性粒子密度。
[0033]步骤四所述的构造FCT构造点对点净输运的通量，求解步骤三建立的连续方程的过程中，还采用结合有限差分与超松弛迭代方法对泊松方程表示的非线性守恒方程进行求解。
[0034]进一步地，所述的步骤三中，当离子为负电离子时：
[0035]由玻尔兹曼(Boltzmann)方程得到电子的连续性方程为：
[0036][0037][0038]式中：n
e
为电子密度；Γ
e
为电子通量；R
e
为电子源项；μ
e
为电子迁移率；E为电场强度矢量；D
e
为电子扩散率；
[0039]电子能量方程为：
[0040][0041][0042]式中：n
ε
为电子能量密度；Γ
ε
为电子能量通量；I
ε
为电子能量源项；μ
ε
为标量或张量形式的电子能量迁移率；D
ε
为电子能量扩散率；
[0043]电子输运过程中电子的源项R
e
和电子的能量源项Rε由等离子体化学确定，在使用速率系数计算的情况下，电子的源项R
e
的计算公式为：
[0044][0045]式中：M为有助于电子密度增长或衰减的M个碰撞反应；x
j
为反应j的碰撞时目标物质的摩尔分数；k
j
为反应j的发生有效碰撞的速率系数；N表示总中性数密度；
[0046]电子能量源项R
ε
的计算公式为：
[0047][0048]式中：P为非弹性电子－中性碰撞的反应数，P＞＞M；Δε
j
表示反应j的能量损失。
[0049]进一步地，步骤四所述的构造F本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光电检测技术的超临界条件下气体放电过程模拟方法，其特征在于：所述方法通过以下步骤实现：步骤一、通过MaterialsStudio软件CASTEP模块搭建超临界氮三维可视的结构模型；步骤二、分析放电过程，并与步骤一建立的结构模型结合显示分析出的数据，分析出的数据通过二维、三维、图表、动画演示或矢量图形式显示；步骤三、基于气体放电原理，利用流体模型框架建立连续性方程组，描述电子、离子在电场中产生、运动及消失过程；并根据质量守恒原理，利用连续性方程描述带电粒子时间及空间运动特性；所述的连续性方程是指，某一封闭面在某一时间内流体密度的变化，即流出的流体质量和流入的流体质量差；步骤四、构造FCT构造点对点净输运的通量，求解步骤三建立的连续方程。2.根据权利要求1所述的一种基于光电检测技术的超临界条件下气体放电过程模拟方法，其特征在于：所述的步骤三中，基于气体放电原理，利用流体模型框架建立连续性方程组，描述电子、离子在电场中产生、运动及消失过程；并根据质量守恒原理，利用连续性方程描述带电粒子时间及空间运动特性时，气体的放电过程涉及的特性描述为：当离子为正电离子时：a.封闭曲面方程表示为：放电流体模型由粒子连续性方程耦合泊松方程组成：b.电子、正离子的连续性方程表示为：式中，t为时间；S为光电离生成的粒子；β
ep
为正离子和电子的复合系数；η为电子的附着系数；a为电子的碰撞电离系数；D
e
为电子的扩散速度；省略正离子的扩散运动；v
p
为正离子的迁移速度，v
e
为电子的迁移速度；N
p
为正离子的空间电荷密度，N
e
为电子的空间电荷密度；c.基于空间电荷对电场的影响，泊松方程表示为：式中：N
p
为正离子的密度，N
e
为电子的密度；ε
r
为气体的相对介电常数，ε0为真空介电常数；为电势；E为电场强度；d.气体放电过程中，电子能量的产生和损失，电子的能量方程表示为：d.气体放电过程中，电子能量的产生和损失，电子的能量方程表示为：d.气体放电过程中，电子能量的产生和损失，电子的能量方程表示为：式中，n
ε
是电子能量密度，S
ε
是由于碰撞导致的能量损耗；是电场强度矢量，是电子
能量通量，是电子密度通量，μ
e
是电子在电场中的迁移率，是电子能量迁移率，是电子能量的扩散系数；式中：a
j
是第j种碰撞反应的反应系数，Δε
j
是电子能量因为第j种碰撞反应导致的能量损失；N
n
是放电空间中性粒子密度。3.根据权利要求2所述的一种基于光电检测技术的超临界条件下气体放电过程模拟方法，其特征在于：步骤四所述的构造FCT构造点对点净输运的通量，求解步骤三建立的连续方程的过程中，还采用结合有限差分与超松弛迭代方法对泊松方程表示的非线性守恒方程进行求解。4.根据权利要求1所述的一种基于光电检测技术的超临界条件下气体放电过程模拟方法，其特征在于：所述的步骤三中，当离子为负电离子时：由玻尔兹曼(Boltzmann)方程得到电子的连续性方程为：由玻尔兹曼(Boltzmann)方程得到电子的连续性方程为：式中：n
e
为电子密度；Γ
e
为电子通量；R
e
为电子源项；μ
e
为电子迁移率；E为电场强度矢量；D
e
为电子扩散率；电子能量方程为：电子能量方程为：式中：n
ε
为电子能量密度；Γ
ε
为电子能量通量；I
ε
为电子能量源项；μ
ε
为标量或张量形式的电子能量迁移率；D
ε
为电子能量扩散率；电子输运过程中电子的源项R
e
和电子的能量源项Rε由等离...

【专利技术属性】
技术研发人员：王英立，高伟，鲍朝辉，韩勤松，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：