Modeling streamer discharges as advancing imperfect conductors
理解长时间放电的一个主要障碍是由许多细导电细丝形成的流光电晕的复杂动力学。建立这些灯丝的宏观模型是获得放电电晕的更深层次的知识的一种方法。在这里，我们提出了一个一维的，宏观模型的传播流光通道。我们代表的流光作为一个先进的有限电导率通道的表面电荷密度在其边界。由于流过拖缆主体并在其表面的薄层内的电流，该电荷自洽地演变。我们耦合这种电动演化与场依赖的一组化学反应，确定内部通道电导率。有了这个一维模型，我们调查的流光的关键属性如何影响通道的演变。我们模型的最终目标是构建真实的流光电晕模型，以便更好地理解长时间放电的物理现象。
2017-05-09 physics.plasm-ph
Electron density fluctuations accelerate the branching of streamer discharges in air
分支是流光放电动力学的一个基本要素，但今天它只被定性地理解。分支流光树中观察到的变化和不规则性表明，随机项是相关的流光分支的描述。在这里，我们认为电子密度波动由于离散粒子数作为一个源的随机性在空气中的正流光在标准的温度和压力。我们推导出一个定量估计的分支距离，同意在一个因子2与实验值。由于没有噪声的分支将发生在以后，如果在所有，我们得出结论，随机粒子噪声是相关的流光在大气压力下在空气中的分支。
2011-02-07 physics.plasm-ph
Computational Model for Photoionization in Pure SF6 Streamer at 1-15 atm
本文提出了一种用于SF6光电离的计算模型，通过比较实验与模拟结果，展示了模型在提高流体结构准确性和空间收敛性方面的有效性。
2025-12-02 physics.plasm-ph
A Computational Study of Negative Surface Discharges: Characteristics of Surface Streamers and Surface Charges
我们研究了空气中负表面放电的动力学，通过数值模拟与二维流体模型。使用由嵌入在平行板电极之间的平坦电介质组成的几何形状。与体相气体中的负流光相比，负表面流光被观察到具有更高的电子密度、更高的电场和更高的传播速度。另一方面，它们的最大电场和速度低于正表面流光。在我们的模拟中，负表面流光是较慢的较大的相对介电常数。当负流光沿电介质表面传播时，负电荷在电介质表面上积聚，这可导致电介质内部的高电场。如果我们最初在电介质上放置负表面电荷，则负表面放电的增长被延迟或抑制。正表面电荷具有相反的效果。
2020-05-19 physics.plasm-ph
A Dynamic Model of Streamer Coupling for High Pressure Discharges
本文提出了一个流注耦合理论来描述高压放电中均匀辐射的形成和辐射斑图的高速移动。通过考虑电子扩散和电子漂移的影响，形成流光耦合所需的最低预电离水平$n_{\rm min}$被发现取决于电场强度，气体压力和电子温度。当$n_0$。对大气压氦等离子体的预测结果表明，等离子体的运动速度为$n_{\rm min} \sim 10^5~{\rm cm^{-3}}$，运动速度为$10^4 - 10^6$ m/s，与实验结果一致。
2010-07-18 physics.plasm-ph
Simulating streamer discharges in 3D with the parallel adaptive Afivo framework
我们提出了一个开源的等离子体流体代码的2D，圆柱形和3D模拟流光放电，Afivo框架的基础上，自适应网格细化，几何多重网格方法泊松方程，和OpenMP并行。我们描述的漂移-扩散-反应型的流体模型的数值实现，结合局部场近似。然后，我们证明了它的功能与3D模拟的长期积极流光在氮气中的欠旋间隙，使用三个例子。第一个例子显示了随机背景密度如何影响流注传播和分支。第二个主要研究预电离区与流注的相互作用，第三个主要研究两个流注之间的相互作用。模拟在不到一天的时间内在多达$10^8$网格单元上运行。如果没有网格细化，则需要$4\cdot 10^{12}$网格单元。
2017-08-28 physics.plasm-ph
Why isolated streamer discharges hardly exist above the breakdown field in atmospheric air
我们调查流注形成对流层，在电场以上的击穿阈值。利用全三维粒子模拟，我们研究了自然背景电离和光电离对放电形态的综合影响。在以前的研究中，基于确定性流体模型没有背景电离，所谓的双头流光出现。但在我们改进的模型中，许多电子雪崩开始在不同的位置生长。最后，雪崩集体屏蔽了放电内部的电场。这发生在我们称之为“电离屏蔽时间”之后，对此我们给出了分析估计。由于这个时间是相当的流光形成时间，我们得出结论，孤立的流光是不可能存在的领域远高于大气中的空气击穿。
2013-08-23 physics.plasm-ph
Quantitative modeling of streamer discharge branching in air
本文利用纳入离散随机光电离过程的三维流体模型模拟空气中正流注分支，发现模拟结果与实验吻合，证实光电离噪声触发分支并验证了 Zheleznyak 模型。
2023-08-16 physics.plasm-ph
The effect of the stochasticity of photoionization on 3D streamer simulations
正流光放电需要在它们前面的自由电子源以用于它们的生长。在空气中，这些电子通常由光电离提供。在这里，我们调查如何随机波动，由于电离光子的离散性影响空气中的正流光。我们模拟正流光两个平面电极与三维等离子体流体模型，使用随机和连续光电离的方法。随机光电离，波动是可见的流光的方向，最大电场，速度和电子密度。流光不分支，我们发现平均随机结果和连续光电离的结果之间有很好的一致性。流保持大致轴对称，我们表明，与轴对称模型得到的结果确实同意与三维结果。然而，我们发现，积极的流光是敏感的光电离量。当光电离量加倍时，随机和连续结果之间甚至有更好的一致性，但随着光电离量的一半，随机波动变得更加重要，流光分支开始发生。
2019-05-07 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Computational study of simultaneous positive and negative streamer propagation in a twin surface dielectric barrier discharge via 2D PIC simulations
采用二维粒子模拟方法，对表面介质阻挡放电（SDBD）中等离子体流光的传播机制进行了研究。研究是在模拟空气混合物（80% N $_2$和20% O $_2$）、大气压、100 $\,$ kPa、直流条件和代表交流条件的脉冲直流波形下进行的。模拟的几何形状是对称的和完全暴露的SDBD的简化，导致在Al $_2$ O $_3$电介质阻挡层的任一侧上同时点燃正流光和负流光。为了确定这两个流光的相互作用，传播行为的积极和消极的流光都独立地和同时在相同的恒定电压条件下进行了调查。一个额外的焦点是恳求下的快速亚纳秒上升时间平方电压脉冲交替之间的正和负电压条件，从而提供洞察下的动态的流光交替极性开关。它示出，同时点燃的两个流光，以及使用脉冲直流条件，提供了增强的放电和增加的表面覆盖。它还表明，额外的拖缆分支可能会发生在一个截面，这是很难实验观察。增强的放电和表面覆盖可有益于许多应用，例如但不限于：空气净化、挥发性有机化合物去除和等离子体增强催化。
2021-02-18 physics.plasm-ph
Measurement of the electric field distribution in streamer discharges
本研究利用E-FISH技术实现高分辨率单通道流注放电绝对电场测量，开发考虑相位变化的反卷积方法获取局域电场，测量结果与仿真吻合，首次将该技术应用于大尺寸跨间隙流注，助力流注放电研究及E-FISH拓展应用。
2024-10-11 physics.plasm-ph
Photoionization model for streamer propagation mode change in simulation model for streamers in dielectric liquids
辐射对电介质液体中流光的传播是很重要的。光致电离是一种可能性，但这种效应很难与其他贡献区分开来。在这项工作中，我们从流光头辐射模型，导致光电离时，吸收在液体中。我们发现光电离在空间上是局域的（μ m尺度）。考虑电离势与电场的关系，建立了辐射吸收截面的数学模型。结果是当电场将IP降低到低于第一电子激发态的能量时，电离速率急剧增加，这被解释为从慢流光变为快流光的可能机制。通过结合一个模拟模型的雪崩机制的基础上，以快速模式的变化的光致电离阈值的电场的基础上，慢流光，我们演示了如何的流光通道的导电性可以是重要的慢和快流光传播模式之间的切换。
2020-07-25 physics.app-ph physics.plasm-ph
Streamer Self-Focusing in External Longitudinal Magnetic Field
利用数值模拟的方法研究了外加纵向磁场的间隙中流注放电的自聚焦现象。自聚焦是由于径向电离波的急剧减速，由于电子能量分布函数的变化，在平均电子能量，气体电离率和电子迁移率在交叉电场和磁场中的减少相比，放电发展没有磁场的情况下。观察到了正、负脉冲极性的流注放电在外加纵向磁场中的自聚焦效应。本文提出了一个估计的临界值的磁场，这使得有可能控制发展的脉冲高压放电在不同的气体压力。
2021-01-26 physics.plasm-ph
Adaptive multiscale methods for 3D streamer discharges in air
我们讨论了空间和时间自适应隐式显式（IMEX）方法并行模拟三维流体流光放电在大气中。我们研究战略推进流体方程和椭圆输运方程（如泊松）与不同的时间步长，同步它们的全球物理时间尺度，这是采取成比例的介电弛豫时间。使用较长的时间步长的电场导致可以诊断的数值误差，我们量化的条件下，这种简化是有效的。同样，使用三项亥姆霍兹模型的辐射传输，相同的误差诊断表明，辐射传输方程不需要解决的时间尺度精细比介电弛豫时间。椭圆方程是大多数拖缆模拟代码的瓶颈，这里给出的结果可能提供计算节省。最后，一个计算的例子，在针平面几何形状，使用高达700万个网格单元的3D分支拖缆。
2019-01-24 physics.plasm-ph
Data-driven reduced modeling of streamer discharges in air
Centrum Wiskunde & Informatica (CWI)（荷兰数学与计算机科学研究中心）；Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA), CSIC（安达卢西亚天体物理研究所）
本研究提出一种丝状放电计算框架，基于1000组正流注模拟数据集构建含随机分支的降阶模型，在保证精度的同时大幅提升模拟效率，3D多流注模拟可在台式机上快速完成。
2025-06-19 physics.plasm-ph
A 3D kinetic Monte Carlo study of streamer discharges in CO$_2$
本文利用三维动力学蒙特卡罗模型研究 CO$_2$ 中正负流注的起始与传播，揭示电子附着和光电离的关键作用，并阐明光电离对两类流注传播均具有重要意义。
2023-12-05 physics.plasm-ph
A Local Discontinuous Galerkin Method for 1.5-Dimensional Streamer Discharge Simulations
流光放电在理论和工业应用中都具有重要意义。本文提出了一种局部间断Galerkin方法来模拟流注放电的对流占优流体模型。为了模拟快速瞬变流注放电过程，迫切需要一种高分辨率、高精度的方法。结合有限体积法和有限元法的优点，局部间断伽辽金法就是这样一种选择。本文采用1.5维流体模型对氮气中的双头流光放电进行了数值模拟。初步结果表明，该方法扩展到一般的流光模拟在复杂的几何形状的潜力。
2013-06-04 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Stochastic and self-consistent 3D modeling of streamer discharge trees with Kinetic Monte Carlo
本文提出一种基于伊藤扩散与动力学蒙特卡洛的新型粒子模拟模型，用于气体放电，通过耦合光电离粒子描述实现非负密度、固有涨落支持和优异稳定性，并成功自洽模拟大气压空气中的大型正流注放电树。
2023-07-04 physics.plasm-ph
3D hybrid computations for streamer discharges and production of run-away electrons
我们介绍了一个三维的混合模型流光放电，以下的单电子在该地区的动态与强场增强的流光尖端，而近似的许多电子在流光内部的密度。我们解释的方法，并提出第一个结果为负流光在氮气中。我们专注于在模拟中观察到的高电子能量。
2009-07-14 physics.geo-ph physics.plasm-ph
Photoionization in negative streamers: fast computations and two propagation modes
流光放电在脉冲电场中物质的电击穿中起着核心作用，无论是在自然界还是在技术上。可靠和快速计算的极小模型的负流光在简单的气体，如氮气最近已经开发。然而，光电离不包括在内;它在空气中很重要，并构成了一个重大的数值挑战。本文介绍了一种快速可靠的方法，将光电离纳入我们的数值计算方案中，并讨论了它对负流光的重要性。特别是，我们确定不同的传播制度，光电离或不发挥作用。
2006-09-28 physics.ao-ph physics.plasm-ph
A model comparison of 2D Cartesian and 2D axisymmetric models for positive streamer discharges in air
本文比较空气中正流注的二维笛卡尔与轴对称流体模拟，量化起始电压、速度、半径、电场和电离差异，并指出二维笛卡尔模型无法定性再现分支。
2024-01-22 physics.plasm-ph
Density models for streamer discharges: beyond cylindrical symmetry and homogeneous media
流注放电经常用密度模型（也称为漂移-扩散-反应模型）的计算机模拟来研究。我们回顾这些模型，详细介绍了它们的物理基础，它们的有效性范围和最相关的数值算法在解决它们。我们特别关注自适应细化的计划，用于解决多个长度尺度的流光放电，而不需要很高的计算成本。然后，我们报告最近的结果，从这些模型，强调发展超越圆柱对称流光在均匀介质中传播。
2010-11-12 physics.comp-ph physics.plasm-ph
High order fluid model for streamer discharges: I. Derivation of model and transport data
流光放电是等离子体物理中的基本问题，因为它们非常短暂，远离平衡，并且具有高电离密度梯度;它们出现在科学和技术的各个领域。本文着重推导了一个适用于拖缆的高阶流体模型。利用动量传递理论，将流体方程作为Boltzmann方程的速度矩，在局部平均能量近似下封闭，并耦合到空间电荷产生的电场的泊松方程。能流方程中的高阶张量近似为两个低阶矩的乘积，以封闭系统。从多项Boltzmann方程解出发，计算了氮分子中电子在弹性和非弹性碰撞中动量和能量转移的平均碰撞频率。然后，我们讨论，特别是，（1）正确实施的传输数据的流光模型;（2）的准确性的两项近似求解玻尔兹曼方程的背景下，流光研究;和（3）的平均能量依赖的碰撞率的评估所需的电子作为输入的高阶流体模型。在这一序列的第二篇论文中，我们将讨论基于本文导出的模型和输入数据的拖缆高阶流体模型的解。
2013-02-23 physics.plasm-ph
Experimental study of the spatio-temporal development of meter-scale negative discharge in air
我们研究了在标准温度和压力下，在1至1.5米的空气间隙中，由约1 MV的Marx发生器驱动的负放电的发展。我们显示的放电与纳秒快速摄影与电气特性的演变。负放电发展通过四个区分流光突发。在不同的爆发中，流光具有不同的速度和寿命。最后一次爆发触发了正接地电极上的正初始云，并出现了正反向流光的爆发。预放电然后桥接间隙，并且先导从两个电极生长。最后形成了火花。仔细观察阴极附近的预电离区，我们发现孤立的点是潜在的分支点。这些点充当正流光的起点，正流光朝向高压电极移动。在我们的实验室里还发现了空间领导者和领导者踩踏火花等现象。
2013-12-20 physics.plasm-ph
The inception of pulsed discharges in air: simulations in background fields above and below breakdown
我们调查放电起始在空气中，在均匀的背景电场以上和以下的击穿阈值。我们进行3D粒子模拟，其中包括一个自然水平的背景电离的形式，积极和O $_{2}^-$离子。当电场上升到高于击穿和脱离阈值时，电子可以从O $_{2}^-$脱离并开始电离雪崩，这在空气中是相似的。这些雪崩一起创建一个大的放电，在许多流体模拟中发现的“双头”飘带。另一方面，在低于击穿的背景场中，必须有某种东西充分增强场，以形成流光。我们使用一个强电离种子的电子和正离子，我们观察到的增长，积极流光。未观察到负流光。击穿以下，电子脱离的列入并没有改变结果太多，我们观察到类似的放电发展，在流体模拟。
2014-05-28 physics.plasm-ph
A comparison of particle and fluid models for positive streamer discharges in air
流体模型和粒子模型通常用于模拟流光放电。在本文中，我们定量地研究这些方法之间的协议轴对称和3D模拟空气中的正流光。我们使用的漂移扩散反应流体模型与本地场近似和PIC MCC（粒子在细胞，蒙特卡罗碰撞）粒子模型。模拟是在300 K和1 bar的温度下，在10 mm板-板间隙中使用2 mm针电极进行的。使用11.7和15.6 kV之间的施加电压，其对应于约15至20 kV/cm的背景场。流光属性，如最大电场，头部位置和速度作为时间或空间的函数进行比较。我们的结果显示，粒子模拟和流体模拟之间具有良好的一致性，这与之前在1D或负拖缆中进行的一些比较形成鲜明对比。为了量化模型之间的差异，我们主要研究拖缆速度作为拖缆长度的函数。对于这里考虑的测试情况，粒子和流体模拟之间的拖缆速度的平均偏差小于4%。我们研究了不同类型的传输数据的流体模型的效果，并发现通量系数导致良好的协议，而体积系数没有。此外，我们发现，与一个两项玻尔兹曼求解器，数据应使用时间增长模型计算的最佳协议。粒子和流体模型的数值收敛性也进行了研究。在流体模拟中，使用更精细的网格时，拖缆速度会有所增加，而粒子模拟对网格不太敏感。在我们的模拟中，光电离是随机波动的主要来源。当使用相同的随机光电离模型时，粒子和流体模拟表现出类似的波动。
2021-12-13 physics.plasm-ph
Simulation of positive streamers in CO$_2$ and in air: the role of photoionization or other electron sources
正流光放电已被广泛研究和模拟在空气中。在这里，我们研究积极的流光在CO $_2$与和没有氧混合物，他们是相关的电流高电压技术，以及在金星大气中的放电。我们讨论，没有有效的光电离机制是已知的气体与大CO $_2$分数，在相关的能量范围内的光子被迅速吸收。因此，正流光只能由于电离前沿前面的其他自由电子源而传播。因此，我们研究了正流光在CO $_2$与不同水平的背景电离提供这些自由电子的传播。用模拟方法研究了用背景电离代替光电离的效果。在标准温度和压力下，在6.4cm的间隙内，模拟了16 ~ 20 kV/cm的背景场中的流光，发现流光的传播对光电离或背景电离水平相当不敏感。我们还讨论了结果不仅依赖于击穿场和外加电场的大小，依赖于预电离或光电离，而且依赖于电子迁移率$μ(E)$和有效电离系数$α_{\rm eff}(E)$，它们是电子能量或电场的气体依赖函数.
2020-10-02 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Implementation of a cathode directed streamer model in Air under different voltage stresses
随着气候变化法规的不断增加，为了找到可行的SF6替代品，应该对压缩空气等替代品进行适当的评估。对于中压应用，耐受电压被用作尺寸标准，这取决于作为电击穿前兆的流光的起始和传播。对于设计优化，在不同的应力，压力等情况下，这种放电的起始和传播机制的透彻理解，应该通过预测模型进行实验和数值研究。迄今为止，大多数数值研究都是通过自制的代码作为拖缆模型是不容易在商业软件，因为这种计算的复杂性和非线性。最近，随着商业有限元软件COMSOL（tm）Multiphysics的等离子体模块的鲁棒性的增加，可以开发具有合理精度的流光放电模型。本文提出了一种实现和验证的方法，在空气中的流注演变为不同的电压应力。短间隙（$\le$ 5 mm）在标准温度和压力（STP）条件下的模拟结果已提交，分析和比较与一些经典的论文，以评估这种模型的适用性，为进一步研究非热放电。中压，流光放电，环保气体，数值模型。
2020-10-15 physics.plasm-ph
Runaway Electron Generation by Decelerating Streamers in Inhomogeneous Atmosphere
数值模拟了大气中正负流光的动力学过程。它表明，积极和消极的流光表现在根本上不同的方式时，减速和停止。当头电位下降时，负流注过渡到由于前向电子漂移而传播的模式。在这种情况下，电离波前的半径增加，而在流光头部的电场进一步减小，流光停止。对于正流注，随着头电位的降低，其唯一的推进机制是电离波的有效半径的减小，从而导致电场的局部增大。这种机制补偿了在小的头部直径下气体光电离效率的降低。在大气压力空气中，当拖缆头电位降低到~1.2 kV时，拖缆头处的局部电场可超过失控阈值。在这种情况下，可以发生被引导到停止正流光的通道中的逃逸电子束的脉冲生成。所形成的脉冲电子束的能量可以从700 V（当相对于大气压空气中的值将光电离速率增加10倍时）变化到2.6 kV（在具有吸收添加剂的空气中，该吸收添加剂将光电离速率降低1000倍）。这是可能的，减速正流光的行为可以解释观测到的X射线辐射的爆发在流光传播。
2020-11-15 physics.plasm-ph
Positive streamer discharge simulations in humid air: uncertainty in input data and sensitivity analysis
本研究针对潮湿空气中正流注放电模拟，分析H₂O截面、光电离模型和化学组三类输入数据的影响，发现10%H₂O时流注速度因输入数据不同最多变化50%，并通过敏感性分析确定关键化学反应。
2025-02-12 physics.plasm-ph
A computational study of positive streamers interacting with dielectrics
我们使用数值模拟来研究表面放电，这是常见的高电压工程的动态。我们模拟正流光放电，传播到一个电介质表面，附着到它，然后在表面上传播。模拟是在空气中进行的二维等离子体流体模型，其中一个平面电介质被放置在两个平板电极之间。静电吸引是导致流光向电介质生长的主要机制。由于拖缆头中的净电荷，电介质被极化，并且拖缆和电介质之间的电场增加。与大体积气体中的流光相比，表面流光具有更小的半径、更高的电场、更高的电子密度和更高的传播速度。较高的施加电压导致表面放电的更快的开始和更快的传播。更高的介电常数导致拖缆更快速地附着到表面和更薄的表面拖缆。二次发射系数所示，发挥适度的作用，这是由于在空气中相对较强的光电离。在模拟中，高电场存在于正流光和电介质表面之间。我们表明，这个字段的大小和衰减的影响的正离子迁移率。
2020-05-19 physics.plasm-ph
Probing background ionization: Positive streamers with varying pulse repetition rate and with a radioactive admixture
正流光需要在它们前面有一个自由电子源才能传播。流光可以通过光电离本身提供这些电子，或者电子可以由于外部背景电离而存在。在这里，我们调查的背景电离流光传播和形态的影响，通过改变气体成分和重复频率的电压脉冲，并通过添加少量的放射性氪85。我们发现，在高纯度氮气中的正流光放电的一般形态取决于背景电离：在较低的背景电离水平的流光分支更多，有一个更羽毛般的外观。当改变重复率和加入氪85时都观察到这一点，尽管放射性混合物的侧支较长。但是流光的速度和最小直径实际上与背景电离水平无关。在空气中，当重复率以及背景电离水平较高时，初始云会分解成半径较小的流光。当测量脉冲重复率和放射性混合物对放电形态的影响时，我们发现我们对背景电离水平的估计与这些观测结果一致;这使估计具有置信度。对于高达10 Hz的重复率，流光通道通常不遵循先前放电通道的路径。我们估计的离子和自由电子的复合和扩散的影响，从以前的放电，并得出结论，旧的踪迹在下一个电压脉冲的时刻基本上消失了，因此，下一个流光确实不能遵循旧的踪迹。
2011-09-26 physics.plasm-ph
Experimental study of hard X-rays emitted from meter-scale positive discharges in air
我们研究了长正火花击穿的结构和演化，并研究了硬X射线脉冲在哪个阶段发射。将约1 MV的标准化雷电脉冲波形的正高压脉冲施加到约1米的环境空气中。放电演变的图像与几十纳秒的分辨率与增强CCD相机。LaBr3（Ce+）闪烁探测器记录了在该过程中发射的X射线。同步测量两个电极上的电压和电流。所有的测量表明，首先一个大而密集的电晕的正流光出现从高压电极。当它们接近接地电极时，负反向流光出现在那里，并且硬X射线的发射与正流光与负反向流光的连接一致。
2015-01-20 physics.plasm-ph
Investigation of positive streamers in CO$_2$: experiments and 3D particle-in-cell simulations
本文通过三维粒子模拟和实验研究 CO$_2$ 中正流注传播，发现少量光电离即可维持传播但需背景电场接近临界场，并给出猝灭压强估计和自持增长判据。
2024-10-20 physics.plasm-ph
Construction and test of a moving boundary model for negative streamer discharges
从负流光放电中电相互作用粒子密度的极小模型出发，导出了电离锋的移动边界近似。移动锋上的边界条件被认为是“动力过冷”型。边界近似，其第一个结果已发表在[Meulenbroek等人，PRL 95，195004（2005）]，然后针对密度模型的二维模拟进行测试。结果表明，我们的移动边界近似充分代表了负流光锋的基本动力学。
2007-07-10 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Inception and propagation of positive streamers in high-purity nitrogen: effects of the voltage rise-rate
控制拖缆形态对于许多应用是重要的。到目前为止，电压上升率的影响只在很宽的范围内进行了研究。在这里，我们表明，即使是轻微的变化，在电压上升可以有显着的影响。我们已经研究了正流光放电在一个16厘米的点-平面间隙中的高纯氮6.0，由25千伏脉冲的持续时间为130纳秒。电压上升以1.9 kV/ns至2.7 kV/ns的上升速率和22 kV至28 kV的第一峰值电压变化。一个结构性的链接之间发现较小的放电与较大的初始云所造成的更快的电压上升。这种关系可以通过更快的电压上升导致的起始云的更大稳定性来解释，从而导致不稳定的延迟。时间分辨的测量表明，初始云传播速度比早期不稳定，更持久的放电。这解释了具有更快上升电压脉冲的放电最终变得更短。此外，已研究了脉冲序列中剩余背景电离的效果，表明通道厚度和分支率局部受影响，取决于先前放电的覆盖体积。
2012-08-20 physics.plasm-ph
Streamers in air splitting into three branches
我们调查了在空气中的正流光的分支，并提出了第一个系统的调查分裂成两个以上的分支。我们研究在100毫巴的人工空气中，暴露于施加到针电极160毫米以上的接地板的电压脉冲为10千伏的放电。通过从三个角度用两个摄像机对放电进行成像，我们确定大约每200个分支事件是一个分支成三个。对于相对较厚的拖缆，分支成三个更频繁地发生。事实上，我们发现，表面的总流光横截面之前和之后的分支事件大致相同。
2013-08-12 physics.plasm-ph
Review of recent results on streamer discharges and discussion of their relevance for sprites and lightning
现在已经很好地理解，在中间层的低空气密度下的大的精灵放电在物理上类似于在标准温压下的空气中的小的流光放电。这种相似性是基于汤森尺度与空气密度。首先，汤森缩放的理论基础和一个列表的六个可能的修正缩放进行了讨论，然后实验证据的流光和精灵之间的相似性进行了审查。然后，我们讨论了目前的精灵和流光理论已经发展，我们展示了如何流光实验可以解释为精灵模拟。我们回顾了最近的流光研究的结果，是相关的精灵和其他形式的大气电学，并讨论其影响精灵的理解。这些包括大范围的流光直径和速度和整体的3D形态与分支，相互作用和重新连接，依赖于电压和极性，电子能量在流光头和连续的化学效率和硬辐射。新的理论和实验结果涉及测量的流注光谱在空气中，密度依赖性的流注加热（热领导人是不可能在80公里的高度和冷的流光是不可能在液体），并讨论了磁场的影响热电子或高能电子的流光或精灵。
2010-01-30 physics.ao-ph physics.plasm-ph
High order fluid model for streamer discharges. II. Numerical solution and investigation of planar fronts
本文采用前一篇论文中发展的高阶流体模型，研究了负平面流注波前在纯氮中的传播。该模型由电子密度、平均电子速度、平均电子能量和平均电子能流的平衡方程组成。这些平衡方程已获得的玻尔兹曼方程的速度矩，并在这里耦合到泊松方程的空间电荷电场。在这里，与高阶模型，与PIC/MC（粒子在细胞/蒙特卡罗）模型和一阶流体模型的基础上的流体动力学漂移扩散近似的模拟结果进行了介绍和比较。通过与MC模型的比较，验证了高阶流体模型的正确性，从而支持了其正确的理论推导和数值实现。一阶流体模型的局部场近似的结果，通常用于流光放电，显示出相当大的偏差。此外，我们研究了不一致的实施到我们的高阶流体模型的传输数据所造成的模拟结果的不准确性。通过与忽略能流项的结果的比较，我们也证明了能流项在高阶模型中的重要性。最后，结果与近似的高阶张量的能流方程被认为是同意与PIC/MC的结果减少电场高达1000汤森，在这项工作中考虑。
2013-02-23 physics.plasm-ph
Stereo-photography of point-plane streamers in air
流光放电的标准照片显示的是二维投影。我们在这里提出立体摄影图像，解决他们的三维结构。我们描述的立体设置和评价，我们提出的结果为正流光放电在空气中在0.2 - 1巴的点平面几何形状的间隙距离为14厘米，电压脉冲为47千伏。在这种情况下，发现43度的分支角的近似高斯分布;这些角并不显著地取决于到针的距离或气体压力。
2008-02-25 physics.plasm-ph
3D particle-in-cell simulations of negative and positive streamers in C4F7N-CO2 mixtures
该研究利用三维粒子网格模型模拟C4F7N-CO2混合物中的正负流注，揭示临界场、电子附着及随机背景电离对其传播与不规则结构的影响。
2023-11-02 physics.plasm-ph
A spectral element method for modelling streamer discharges in low-temperature atmospheric-pressure plasmas
流光是发生在大气压和亚大气压下的气体中的电离前沿。流光的数值研究是重要的实际应用，但具有挑战性，由于这种放电类型的多尺度性质。本文介绍一种模拟流注放电的谱元方法。该方法是笛卡尔网格，但可以扩展到非结构网格上使用。流光模型是基于泊松方程的电势和电子连续性方程。泊松方程离散通过谱方法的基础上的积分表示的解决方案。分层Poincare-Steklov（HPS）计划被用来解决所产生的方程组。采用间断Galerkin谱元法（DGSEM）求解电子连续性方程。的DGSEM扩展的扩散通量的另一种定义。如果需要的话，使用子单元有限体积法来稳定DGSEM方案。整个模拟方案是通过解决一些测试问题和再现以前的研究结果进行验证。自适应网格细化用于减少未知数的数量。所提出的方法被发现是足够快的，用于在实际应用中。该方法的灵活性提供了一个有趣的机会，扩大范围的问题，可以解决在低温等离子体放电的数值研究。
2021-11-11 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Investigating CO$_{2}$ streamer inception in repetitive pulsed discharges
在这项研究中，我们调查的负责物种和过程中涉及的重复脉冲流光开始在CO $_{2}$。我们将重复频率为10 Hz、脉冲宽度为1 ms的10 kV高压脉冲施加到与接地平面电极相距160 mm的针电极。我们用光电倍增管测量了600个高压周期的起始时间（高压脉冲上升沿之间的延迟）。我们在起始时间直方图中观察到一个峰值，中位数为1.2 $μ$ s。为了识别该峰的来源，我们在主高压脉冲之前施加负或正LV脉冲以操纵剩余的空间电荷。观察到三种不同的现象：1）漂移，2）中和，和3）电离在LV脉冲。在低LV振幅和脉冲宽度下，峰值开始分别在正和负LV脉冲下向更快和更慢的起始时间漂移。然而，在正LV脉冲和负LV脉冲的相同LV脉冲配置下，观察到的起始时间偏移是不相同的。我们提出了一个假设来解释这种不对称的基础上的差异，空气和CO之间的分离过程$_{2}$。
2021-07-21 physics.plasm-ph
X-ray Emissions in a Multiscale Fluid Model of a Streamer Discharge
我们使用一个三种流体模型的放电在空气中模拟流注演变的雪崩到流注过渡到碰撞的相反极性的流光。我们估计的上限生产的热失控电子，这是占主导地位的第二个这些过程。如果由于自然背景和光电离引起的电离减少，则由于在流光尖端处产生更高电场的可能性而产生更多的热失控。然而，测试粒子模拟显示，这些热逃逸电子没有足够的能量成为相对论逃逸。模拟是在$\mathit{E}_{0}$ = 4和6 MV/m的恒定均匀背景场中进行的。在4-MV/m场中形成流光之后，还在$\mathit{E}_{0}$ = 2 MV/m中进行模拟，以便近似由$\sim$ 1-MV电压在实验室火花实验中使用的$\sim$ 1-m电极间隙上产生的平均背景场。我们的结论是，所使用的流体模型是不足以解释X射线观测在这样的实验。我们讨论的机制，不包括在这个或以前的建模，但可能发挥决定性的作用，在电子加速和X射线生产过程中的流光碰撞的可能作用。
2018-08-02 physics.plasm-ph physics.space-ph
Reconnection and merging of positive streamers in air
图片显示，从同一电极出现的流光或子流光放电通道有时似乎重新连接或合并，尽管它们的头部携带相同极性的电荷;因此，人们可能会怀疑重新连接是图片中二维投影的伪影。在这里，我们使用立体摄影来研究这些事件的完整三维结构。我们分析重新连接，可能是一个静电效应，其中一个较晚的薄流光重新连接到一个较早的厚流光通道，合并，建议的光电离效应，其中两个同时传播的流光头合并成一个新的流光。我们使用四种不同的阳极几何形状（一个尖端、两个尖端、板中的两个不对称突起和一根线），在环境空气中放置在平坦阴极板上方40 mm处。正高压脉冲施加到阳极，产生正电晕放电。这种放电是研究与快速ICCD相机，在许多情况下，结合光学，使立体成像。我们发现上面定义的重连经常发生。另一方面，仅在25毫巴的压力和2 mm的尖端间隔下观察到合并，即，对于p*d=50微米 * 巴的减小的尖端距离。在这种情况下，拖缆通道的半峰全宽大于尖端间距的10倍。在较高的压力下或使用金属丝阳极时，没有观察到合并。
2008-12-12 physics.plasm-ph
Accurate and efficient calculation of photoionization in streamer discharges using fast multipole method
本文主要研究流注放电中光电离的三维数值模拟，并提供了一个通用的框架，以有效和准确地计算光电离模型的积分形式。仿真是基于核独立的快速多极子方法。与其他现有的基于偏微分方程（PDEs）的模型进行比较，定量研究了该方法在不同域和不同压力下的准确性。结果表明，快速多极子方法的数值误差远小于其他基于偏微分方程的方法，参考解由直接数值积分给出。这样的精度可以实现与负担得起的计算成本，其性能在效率和精度是相当稳定的不同领域和压力。同时，模拟加速的快速多极子方法具有良好的可扩展性，使用多达1280个核心，这表明它的能力，使用并行（分布式）计算的三维模拟。所提出的方法和其他有效的近似的差异也研究了在三维动力学问题中，两个拖缆相互作用。
2020-10-22 physics.comp-ph physics.plasm-ph
An efficient and accurate MPI based parallel simulator for streamer discharges in three dimensions
在本文中，我们提出了一个有效的和准确的消息传递接口（MPI）为基础的并行模拟流光放电在三维使用流体模型。首先，我们提出了一个新的二阶半隐式的时间离散的模型，放宽了介电弛豫时间的限制。此外，它只需要在每个时间步求解一次泊松型方程，而经典的二阶显式格式通常需要做两次。其次，我们引入了一个几何多重网格预处理FGMRES求解器，显着提高了求解泊松型方程的效率，无论是常数或变系数。我们数值计算表明，不超过4次迭代所需的泊松求解器收敛到相对残留的$10^{-8}$在拖缆模拟的FGMRES求解器是比R&B SOR和其他Krylov子空间求解器快得多。最后但并非最不重要的是，所有的方法都是使用MPI实现的。在天河2-JK机群上进行的2560个核的数值实验表明，该程序具有很高的并行效率和快速的算法性能。对于应用，我们研究了双头流光放电以及两个流光之间的相互作用，使用高达107亿网格单元。
2019-09-17 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Negative-polarity nanosecond-pulsed cryogenic plasma in liquid nitrogen
本文通过成像与光谱测量研究液氮中负极性纳秒脉冲放电，发现电场约5 MV cm⁻¹时由微弱辉光转变为液内流注，并揭示正负极性流注在低温液内等离子体中具有相似性。
2024-06-04 physics.plasm-ph
Investigation of positive streamers by double pulse experiments, effects of repetition rate and gas
流光放电通常以重复脉冲模式操作，并且因此受到从先前放电留下的物质的影响，特别是自由电子和离子。我们已经研究了这些影响，通过施加两个连续的正高压脉冲的持续时间为200-700 ns的点平面间隙在人工空气，纯氮，其他氮-氧混合物和纯氩在67和533毫巴之间的压力。脉冲的脉冲间间隔（Δt）在200 ns和40 ms之间。我们用两台ICCD相机对两种放电进行成像，并将其组合成复合图像。我们观察到Δt值低于0.5-15 μs（在133毫巴，取决于气体混合物），在第二个脉冲期间，流光继续第一个脉冲流光的路径。我们把这种延续仍然发生的最大时间称为延续时间。对于N $_{2}$ - O $_{2}$混合物，该时间在约0.2%的氧浓度下具有最大值。根据我们的等离子体化学建模，该最大值由电子损失率确定，该电子损失率在该氧浓度附近具有最小值。取决于氧浓度，主要的重组正离子是N $_{4}^{+}$、O $_2^+$或O $_{4}^{+}$，其中O $_{2}^{+}$在O $_{2}$的0.2%左右占主导地位，并且重组最慢。随着Δt值的增加，我们观察到，在延续阶段之后，首先根本没有新的流光出现，然后新的流光出现，避开了整个预电离区。接下来，我们看到新的薄飘带沿着旧通道的边缘。对于较大的Δt（10-200 μs），新的拖缆的尺寸开始增加，并移动到旧通道的中心。最后，在毫秒时间尺度附近，新通道完全独立于旧…
2013-11-18 physics.plasm-ph
Toward Quantitative Electric-Field Measurements of Inception Clouds in Nanosecond Discharges Using E-FISH Assisted by Machine Learning
King Abdullah University of Science and Technology (KAUST)（阿卜杜拉国王科技大学）；National University of Singapore（新加坡国立大学）
利用机器学习辅助的E-FISH技术，研究纳秒放电中起始云的电场分布，揭示电场变化与电弧形成的关系。
2026-01-09 physics.plasm-ph
Electric discharge contour dynamics model: the effects of curvature and finite conductivity
在本文中，我们提出了完整的推导过程中的有效轮廓模型的放电，这似乎作为渐近极限的最小流光模型的传播的放电，当电子扩散是小的。它由两个积分微分方程定义在等离子体区域的边界：一个运动和第二个方程的净电荷密度在界面处。我们计算了圆柱对称的显式解，并在有限电阻率的情况下找到了小扰动的色散关系。我们实现了一个数值程序来解决我们的模型在一般情况下。因此，我们计算的色散关系的圆柱形的情况下，并将其与分析预测。与实验数据的2-D正流光放电的比较和预测确认。
2011-07-11 physics.plasm-ph
Spatially hybrid computations for streamer discharges: II. Fully 3D simulations
我们最近提出了第一个物理预测的空间混合模型，以下负流光放电在全三维空间的演变;我们的空间混合模型耦合粒子模型在高场区域的流光与流体模型在流光内部的电子密度高，场低。因此，该模型在计算上是有效的，同时它也遵循单个电子的动力学，包括它们可能的逃逸。在这里，我们描述了我们的计算的技术细节，并提出了下一步的系统开发的模拟代码。首先，从空气、氮气、氧气和氩气中的粒子群模拟获得新的输运系数和反应速率。这些系数在扩展的流体模型中实现，以使流体近似尽可能与颗粒模型一致，并避免流体和颗粒区域之间的界面处的不连续性。然后介绍了两种分裂方法，并对三维空间中流体-颗粒界面的位置和运动进行了比较。最后，我们提出了第一个结果的三维空间混合模型的负流光在空气中。
2011-03-10 math-ph math.MP physics.plasm-ph
The ElectroHydroDynamic force distribution in surface AC Dielectric Barrier Discharge actuators: do streamers dictate the ionic wind profiles?
我们表明，时空电流体动力学（EHD）的生产力在表面交流介质阻挡放电（AC-DBD）致动器的强烈影响的流光制度在正相和微放电制度在负相。集中在空间EHD力的配置文件，我们证明了离子风的空间分布只能解释的流光制度的积极贡献。最大离子风的位置被发现是直接与最大伸长率的流光在几毫米从暴露的电极。在AC-DBD操作的正相和负相中，残余体积和表面电荷再次与流光形成和后燃相关联，导致各种正EHD力区域，当在一个AC周期中时间平均时，有助于实验观察到的诱导薄壁射流的产生。通过对我们的数值结果的详尽阐述，我们提供了EHD力时空演化的说明性解释，展示了流光的重要性，并与实验相比，检索了离子风空间分布的正确表示。
2021-03-24 physics.app-ph physics.comp-ph physics.flu-dyn
Contour dynamics model for electric discharges
建立了放电的轮廓动力学模型并进行了分析。在小电子扩散的限制下，该模型被推导为放电传播的最小流注模型的渐近极限。计算了非平面二维放电的色散关系。研究了指状图案的发展和传播，并对其主要特征进行了量化。
2010-03-04 physics.plasm-ph
