流注放电的数值仿真方法及其实验验证

The construction of the UHV/EHV power systems calls for the support of air gap discharge theory urgently. As the initial phase of a long gap discharge, streamer discharge is an important research content and the break point for the gap discharge research. Up to now, the existing experiment data are insufficient to build a clear picture of streamer discharge process, which makes numerical simulation an important way for streamer discharge research. There are three unsolved problems in the streamer simulation algorithms: the algorithm compatibility problem raised by the total current law; the positivity of charged particles is not ensured; the photo-ionization cannot be computed both accurately and rapidly on unstructured grids. In this project, the compatibility problem would be analyzed first and then a new scheme that could ensure the positivity of particle densities would be proposed with a mathematical proof. And a method for the accurate and rapid computation of the photo-ionization would be proposed on unstructured grids. Then, experiments of streamer discharges would be performed to the validate the simulation results. After that, the microcosmic characteristics of streamer discharges would be studied by simulations under different situations, e.g., different electrodes, gas ingredient, climates. This project would advance the study of streamer simulation and gas discharge theory.

我国超、特高压输电工程建设亟需空气间隙放电理论的支撑。流注放电作为长间隙放电的起始阶段，是间隙放电研究的重要内容与切入点。仅靠现有实验手段与实验结果无法构建流注放电的完整物理图像，使数学建模与仿真，成为研究流注放电的重要方法。现有流注仿真算法有三个尚未解决的问题：未注意到全电流定律导致的流注仿真算法的匹配问题；不能严格保证求得的粒子密度非负；不能在非结构网格上实现光电离模型的准确、快速求解。本课题首先研究算法匹配条件。然后提出一种满足算法匹配条件的新算法，并从数学上严格证明：该算法既继承现有算法优点，又可保证粒子密度非负。同时，探索适用于非结构网格的光电离模型的准确、快速计算方法。然后，通过实验验证仿真结果的正确性。最后，用上述仿真工具，在准确考虑光电离的前提下，在不同的电极、气体成分、气候条件等工况下，研究流注放电的微观特征。本课题的研究，将推动流注仿真的发展和气体放电理论的进步。

流注放电作为长间隙放电的起始阶段，是间隙放电研究的重要内容与切入点。仅靠现有实验手段与实验结果无法构建流注放电的完整物理图像，使数学建模与仿真，成为研究流注放电的重要方法。本课题针对流注仿真中三个尚未解决的难点问题开展研究。系统研究了全电流定律导致的流注仿真算法的匹配问题，提出:为保证仿真算法遵守全电流定律，泊松方程及粒子输运方程的离散都须满足局部守恒，为减小数值源项引入的数值误差，要同时提高场强及场强的散度的求解精度；针对电负性气体流注仿真中易出现负的粒子密度导致仿真异常中止的问题，提出了一种保正性算法，并从数学上严格证明：该算法既继承现有算法优点，又可保证粒子密度非负。利用快速多极子，提出了适用于非结构网格的光电离模型的准确、快速计算方法。通过与试验结果比对，验证了仿真结果的正确性。用上述仿真工具，研究了不同工况下，流注放电的微观特征。搭建了纳秒时间尺度同步的长流注多物理参量观测平台，运用多分幅ICCD相机首次测量得到了雷电冲击电压下长流注发展光直径和速度的动态变化过程，研究了电压幅值与电极结构对流注参数的影响。利用一维电子输运方程推导了流注直径和速度解析表达式，解释了直径和速度的正相关关系，并以之估算了流注头部的最大场强值。通过本课题的研究，推动了流注仿真的发展和气体放电理论的进步。