Динаміка двоголового стримера в повітрі: чисельний аналіз для міжелектродного проміжку 0.3 см
DOI:
https://doi.org/10.31548/energiya4(80).2025.017Анотація
У роботі методом гідродинамічного моделювання досліджено динаміку двоголового стримерного розряду в повітрі при напрузі 14 кВ. Чисельне моделювання в COMSOL Multiphysics (двовимірна осьово-симетрична геометрія, метод скінченних елементів) виявило суттєві відмінності в розвитку позитивного та негативного стримерів у зазорі 0.3 см: негативний стример демонструє високу початкову швидкість (0.4 см/нс), яка швидко зменшується, обмежуючи максимальну пройдену відстань (0.15 см), тоді як позитивний стример прискорюється з часом (до 0.0378 см/нс), долаючи більшу дистанцію (0.14 см) завдяки вищій щільності електронів (до 3.34×10²⁰ 1/м³) та інтенсивнішому електричному полю (375×10⁵ В/м проти 119×10⁵ В/м у негативному). Отримані результати підтверджують здатність моделі точно відтворювати просторово-часову еволюцію стримерів, що важливо для розробки високовольтних пристроїв та аналізу пробійних явищ. Дослідження виконувалось при тиску 760 Торр з кроком 0.05 нс протягом 3.75 нс.
Ключові слова: двоголовий стример, стримерний розряд, чисельне моделювання, повітряний проміжок, міжелектродний проміжок, COMSOL Multiphysics, гідродинамічна модель, позитивний стример, негативний стример, пробій повітря, високовольтний розряд
Посилання
1. Nijdam, S., Teunissen, J., Ebert, U. (2020).The physics of streamer discharge phenomena. Plasma Sources Science and Technology, 29 (10), 103001. URL: https://doi.org/10.1088/1361-6595/abaa05 (date of access: 19.07.2025).
2. Uamran, D. A., Khalaf, T. H. (2021). Study for electrical breakdown within dielectric liquids due to streamer discharge in rod-to-plane electrodes configuration. Materials Today: Proceedings. URL: https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.04.002 (date of access: 19.07.2025).
3. Zablodskiy, N. et al. (2024). Numerical Modeling and Investigation of Streamer Breakdown in a Coaxial Plasma Torch Based on Townsend Processes. International Conference on Engineering and Emerging Technologies (ICEET), Dubai, United Arab Emirates, 27–28 December 2024, 1–5. URL: https://doi.org/10.1109/iceet65156.2024.10913556.
4. Iseni, S. et al. (2025). Inception and growth of an electrodeless atmospheric double-headed streamer. Physical Review E., 111(2). URL: https://doi.org/10.1103/physreve.111.l023202 (date of access: 19.07.2025).
5. Montijn, C., Hundsdorfer, W., Ebert, U. (2006). An adaptive grid refinement strategy for the simulation of negative streamers. Journal of Computational Physics, 219 (2), 801–835. URL: https://doi.org/10.1016/j.jcp.2006.04.017 (date of access: 19.07.2025).
6. Singh, S (2017). Computational framework for studying charge transport in high-voltage gas- insulated systems, Department of Electrical Engineering Chalmers University of Technology.
7. Teunissen, J., Malagón-Romero, A. (2025). Data-driven reduced modeling of streamer discharges in air. Computer Physics Communications, 109733. URL: https://doi.org/10.1016/j.cpc.2025.109733 (date of access: 19.07.2025).
8. Nijdam, S., Teunissen, J., Ebert, U. (2020). The physics of streamer discharge phenomena. Plasma Sources Science and Technology, 29 (10), 103001. URL: https://doi.org/10.1088/1361-6595/abaa05 (date of access: 19.07.2025).
9. Geary, J. M., Penney, G. W. (1978). Charged-sheath model of cathode-directed streamer propagation. Physical Review A., 17 (4), 1483–1489. URL: https://doi.org/10.1103/physreva.17.1483 (date of access: 19.07.2025).
10. Abd Alameer, M. F., Khalaf, T. H. (2020). Computational analysis for electrical breakdown in air due to streamer discharge in rod-to-plane arrangement. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 757, 012018. URL: https://doi.org/10.1088/1757-899x/757/1/012018 (date of access: 19.07.2025).
11. Liu, L., Becerra, M. (2017). Application of the Position-State Separation Method to Simulate Streamer Discharges in Arbitrary Geometries. IEEE Transactions on Plasma Science, 45 (4), 594–602. URL: https://doi.org/10.1109/tps.2017.2669330 (date of access: 19.07.2025).
12. Woong-Gee, Min et al. (2001). A study on the streamer simulation using adaptive mesh generation and FEM-FCT. IEEE Transactions on Magnetics, 37(5), 3141–3144. URL: https://doi.org/10.1109/20.952562 (date of access: 19.07.2025).
13. COMSOL Multiphysics ® Reference Manual [Електронний ресурс] URL: https://doc.comsol.com/6.2/doc/com.comsol.help.comsol/COMSOL_ReferenceManual.pdf
14. D. Bessières et al. (2007). A new one-dimensional moving mesh method applied to the simulation of streamer discharges. Journal of Physics D: Applied Physics, 40 (21), 6559–6570. URL: https://doi.org/10.1088/0022-3727/40/21/016 (date of access: 19.07.2025).
15. Capacitive Discharges. (2005). Principles of Plasma Discharges and Materials Processing. Hoboken, NJ, USA, 2005, 387–460. URL: https://doi.org/10.1002/0471724254.ch11 (date of access: 19.07.2025).
16. Liu, L., Becerra, M. (2017). Application of the Position-State Separation Method to Simulate Streamer Discharges in Arbitrary Geometries. IEEE Transactions on Plasma Science, 45 (4), 594–602. URL: https://doi.org/10.1109/tps.2017.2669330 (date of access: 19.07.2025).
17. Moodley, K., Swanson, A. (2022). Modelling of Streamer Breakdown in a 0.1 cm Air Gap using Positive Polarity DC in Subtropical Conditions. 2022 36th International Conference on Lightning Protection (ICLP), Cape Town, South Africa, 2–7 October 2022. URL: https://doi.org/10.1109/iclp56858.2022.9942490 (date of access: 19.07.2025).
18. Francisco, H. et al. (2021). Simulations of positive streamers in air in different electric fields: steady motion of solitary streamer heads and the stability field. Plasma Sources Science and Technology, 30 (11), 115007. URL: https://doi.org/10.1088/1361-6595/ac2f76 (date of access: 19.07.2025).
19. Abdulameer, M. F., Khalaf, T. H. (2024). The Simulation of Double Head Streamer Discharge in a 0.5 cm Air Gap. Journal of Physics: Conference Series, 2754 (1), 012019. URL: https://doi.org/10.1088/1742-6596/2754/1/012019 (date of access: 19.07.2025).
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2025 Енергетика і автоматика
TЦя робота ліцензується відповідно до ліцензії Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.
Стосунки між правовласниками і користувачами регулюються на умовах ліцензії Creative Commons Із Зазначенням Авторства – Некомерційна – Поширення На Тих Самих Умовах 4.0 Міжнародна (CC BY-NC-SA 4.0):https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.uk
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див.The Effect of Open Access).
