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通常认为避雷针端部曲率半径越小,端部附近电场越强,雷击接闪效能越强;一些学者认为不同高度避雷针端部曲率半径对接闪效能的影响不同;还有学者则认为曲率半径对接闪效能没有影响。因此,研究避雷针端部曲率半径是否影响其雷击接闪效能对新型避雷针的设计研发和工程应用具有指导意义。论文开展了针–板间隙下不同曲率半径避雷针流注放电与先导放电模拟实验,结合实验室针–板间隙和避雷针–雷云超长间隙放电的空间电场计算,对曲率半径是否影响避雷针迎面流注和迎面先导接闪效能进行了分析。结果表明,不同曲率半径下避雷针流注放电起始时刻差异<0.22μs,发展速度差异<5%;当曲率半径小于临界半径时,避雷针连续稳定先导起始时刻差异...

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避雷针 雷击接闪效能 临界半径 曲率半径 迎面流注放电 迎面先导放电

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根据汽泡动力学原理及可视化试验结果,分别构建了球形燃料孔隙内的汽泡滑移和脱离模型,并对汽泡受力及传热进行分析,通过计算得到了汽泡滑移临界曲率半径、汽泡脱离半径的变化规律。汽泡滑移时的临界半径主要受颗粒大小影响,颗粒越大,汽泡的相对临界半径r cr/R p越小。颗粒半径对汽泡脱离半径的影响最大,颗粒半径越大,汽泡的相对脱离半径r d/R p越小。流速、压力、壁面过热度对汽泡脱离半径也有影响,其他条件相同时,流速越大,汽泡脱离半径越小;压力越大,汽泡脱离半径越大;壁面过热度越大,汽泡脱离半径越大。

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滑移 汽泡 球形燃料孔隙 脱离

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根据汽泡动力学原理及可视化试验结果,分别构建了球形燃料孔隙内的汽泡滑移和脱离模型,并对汽泡受力及传热进行分析,通过计算得到了汽泡滑移临界曲率半径、汽泡脱离半径的变化规律。汽泡滑移时的临界半径主要受颗粒大小影响,颗粒越大,汽泡的相对临界半径r_(cr)/R_p越小。颗粒半径对汽泡脱离半径的影响最大,颗粒半径越大,汽泡的相对脱离半径r_d/R_p越小。流速、压力、壁面过热度对汽泡脱离半径也有影响,其他条件相同时,流速越大,汽泡脱离半径越小;压力越大,汽泡脱离半径越大;壁面过热度越大,汽泡脱离半径越大。

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滑移 汽泡 球形燃料孔隙 脱离

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考虑到SF6的强温室效应等缺点，寻找SF6替代气体成为电气领域亟待解决的热点问题。SF6/N2混合气体作为具有协同效应的典型二元混合气体，是目前公认可行性较高的解决方案，已开始逐步应用于GIL等电力设备中。雷电冲击下SF6/N2的放电特性是相应电力设备绝缘设计的重要参数，其中SF6/N2击穿电压的协同效应程度反映了混合比与绝缘特性的关系，直接影响工程应用中混合比的优化选择，但雷电冲击下SF6/N2协同效应受气压、电压极性、电场不均匀度等因素的影响规律及SF6/N2在极不均匀场下的放电过程目前尚无定论，难以系统指导相应电力设备的优化设计。因此，研究雷电冲击下多因素对SF6/N2协同效应的影响规律以及SF6/N2的放电过程，对优化相应电力设备的绝缘设计和探究SF6/N2放电机理具有重要的工程应用价值与理论意义。 本文搭建了一台高电压等级全封闭雷电冲击实验装置，用于研究不同电场不均匀度下SF6/N2的放电特性。同时，搭建了一台全封闭工频实验装置，用于进行稳态电压下SF6/N2放电特性的对比研究。基于高速分幅相机与光电倍增管搭建了一套SF6/N2混合气体放电过程的光电联合诊断平台，通过采集发光信号、放电图像与电压信号来研究流注起始特性、先导起始特性等放电参数。此外，提出归一化系数用于定量分析SF6/N2的协同效应程度。 研究了雷电冲击下稍不均匀场中气压、电压极性与电极表面粗糙度等对SF6/N2击穿特性的影响，并分析了SF6/N2的协同效应。研究发现：稍不均匀场下SF6/N2击穿电压可用简化幂函数形式 表示，随着混合比增加参数A增加，m与电极表面粗糙度相关，随着混合比升高混合气体对电极表面粗糙度的敏感度增加，负极性雷电冲击下的敏感度高于正极性，且有 ；在低气压下混合气体存在极性效应反转现象。研究发现N2大量的振动激发反应调节了电子能量，进而提高了SF6吸附反应速率，使SF6/N2混合气体呈现协同效应；稍不均匀场中负极性雷电冲击下的协同效应比正极性下更显著，基于N2对电子能量调制作用的影响因素分析，得到了电压类型与极性对协同效应的影响机制。 研究了雷电冲击下电场不均匀度对SF6/N2混合气体放电特性的影响。研究发现：极不均匀场中，高气压下N2的击穿电压可能高于SF6/N2混合气体，呈现显著的负协同效应；基于电场不均匀度对混合气体击穿特性影响的研究，发现雷电冲击下SF6/N2混合气体存在“临界半径”现象，负极性雷电冲击下临界半径显著大于正极性雷电冲击下，且临界半径随着气压升高而减小，单一气体组分的临界半径现象比混合气体的临界半径现象更加显著，也即协同效应整体呈降低趋势。进而研究发现，随着电场不均匀度的增加，SF6/N2混合气体击穿电压的协同效应整体呈现出显著的减弱趋势直至出现负协同效应，并可根据放电过程分为三个阶段，这是因为击穿电压的协同效应程度取决于流注起始与放电发展两个阶段协同效应机制的共同影响。 基于光电联合诊断，研究了雷电冲击下极不均匀电场中微量SF6对SF6/N2混合气体放电过程的影响。研究发现，微量SF6加入N2中会使得流注放电转变为流注-先导放电，放电形成时延显著降低，并使击穿电压呈现负协同效应。建立了正负两种极性雷电冲击下含微量SF6混合气体与N2的放电全过程模型，分析了微量SF6对SF6/N2流注起始特性的影响并探究了SF6/N2的先导起始机理。结果表明：微量SF6的加入增加了流注起始时延，提高了流注起始电压，减小了流注电晕尺寸，也即增加了流注起始的难度。正极性雷电冲击下，混合气体中先导的起始遵循先驱机理；负极性雷电冲击下，则是茎先导与先驱机理的联合作用。基于微量SF6对流注起始与放电发展两个阶段协同效应的影响研究，得到了微量SF6对击穿电压协同效应程度的影响机制，研究表明放电发展阶段协同效应机制的变化也即先导的出现是导致负协同效应的关键因素。

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SF6/N2 混合气体 负协同效应 雷电冲击 流注 先导 协同效应

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当GIS中存在绝缘缺陷时，冲击电压波形参数对其放电特性影响较大，不同波形对同一缺陷的检测有效性不同。迄今为止，国内外尚未对GIS冲击试验绝缘缺陷检测有效性进行系统研究。因此，研究冲击电压波形参数对GIS典型绝缘缺陷检测有效性的影响，掌握冲击电压波形参数对GIS放电特性的影响规律，探索检测有效性定量分析方法，具有重要的科学研究意义和工程应用价值。 论文搭建了SF6气体冲击放电特性研究平台，可实现三类冲击电压的产生和准确测量，包括：1）波前时间0.08 μs ~ 23.5 μs和波尾时间1.5 μs ~ 50 μs宽范围变化的双指数冲击电压；2）上升时间49 ns、振荡主频8.7 MHz的特快速暂态过电压（VFTO）；3）波前时间10 μs、振荡频率25 kHz的振荡雷电冲击。平台的建立为研究冲击电压下SF6气体放电特性及绝缘缺陷检测有效性提供了必要手段。 论文研究了两类典型电极结构下不同波前时间冲击电压下SF6气体放电特性，研究表明，极不均匀电场下，冲击电压波前时间对SF6气体间隙放电特性影响较大，棒-板间隙50%放电电压随波前时间变化曲线呈下凹“U型”。比较了不同电极结构下放电特性，发现母线对缺陷的屏蔽作用改变了间隙的电场分布，使母线附针缺陷50%放电电压随波前时间增加而上升，而非棒-板间隙的“U型”；电场越不均匀，V-t特性曲线斜率变化越快。电场不均匀度是影响间隙放电电压对波前时间敏感程度的关键因素，电场越不均匀，间隙放电电压随波前时间变化越显著，获得了不同电场不均匀系数下长波前冲击电压与标准雷电冲击（LI）下间隙50%放电电压的等价关系。发现冲击电压下SF6棒-板间隙放电电压随电极曲率半径变化出现“临界半径”现象，随气压变化会出现“极性效应反转”现象。基于空间电荷理论分析了波前时间对放电特性的影响机理，给出了电晕稳定化作用判据，电晕稳定化作用与波形陡度、气压和电极结构参数相关。 对比研究了不同波形形状冲击电压下SF6气体放电特性，包括长波前振荡雷电冲击、VFTO、标准LI和0.08 μs陡前沿冲击下SF6气体放电特性。研究表明，极不均匀电场中，长波前振荡雷电冲击下SF6气体间隙放电特性取决于波前时间。高气压、长间隙距离下会出现正极性VFTO下50%放电电压低于正极性标准LI的情况，提出流注/先导步进发展机制对该现象进行了解释。间隙放电电压对冲击电压波尾时间的敏感度与间隙电场不均匀系数相关，电场越不均匀，放电电压随波尾时间增加下降速率越快。 提出了基于放电概率的冲击电压绝缘缺陷检测有效性定量分析方法，分析了检测有效性的影响因素，发现缩短冲击电压波前时间、提高试验电压、增加试验次数可提高绝缘缺陷检测有效性，并结合特高压GIS现场试验情况给出了冲击耐压试验建议波形参数。依托所研制紧凑型低电感冲击电压发生装置，成功开展了特高压GIS现场冲击电压试验，并检测出一处母线绝缘缺陷，试验电压波前时间1.52 μs ~ 2.28 μs，部分间隔试验波形满足标准LI波形参数要求。

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波前时间 检测有效性 绝缘缺陷 六氟化硫 现场冲击电压试验

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本文对自由表面液体在重力作用下形成排水旋涡的性质进行了研究,分析了当旋涡达到稳定状态时内部速度与压强的分布,并由此确定了旋涡产生的凹陷液体上表面形状.本文用类似兰金涡模型的思想,以一临界半径为界线,半径以外采用自由旋涡模型,在靠近涡心处使用等角速度模型以避免奇点的出现.这一模型可以给出旋涡内部的压强和速度分布规律,能定性解释不同粘度流体形成旋涡形状的差异.

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点涡 点汇 兰金涡 自由旋涡

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基于考虑发射度效应的线性电子注边缘电子受力平衡方程，获得了约束电子注所需磁感应强度，通过对比约束不同效应所需磁感应强度的大小，推导了发射度效应占主导电子注的临界半径公式。利用该公式分析了典型电子注的临界半径，分析表明在导流系数小于0.1μA·V-3/2时，电子注发射度效应对电子注的影响随电子注半径减小到亚毫米量级后迅速增大。通过理论推导获得了热阴极发射的线性电子注临界半径下限公式，分析表明采用较大负载的阴极有利于获得较高质量的电子注，且在电子注半径小于0.05 mm 后，常规热阴极的发射能力已不足以保证电子注工作于空间电荷限制状态。此外，在用缩尺法设计电子枪时，若缩尺后的电子注半径小于临界半径，则缩尺法将失效。

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发射度效应 空间电荷效应 临界半径 线性电子注

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发射度效应 空间电荷效应 临界半径 线性电子注

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合成气是一种非常有前景的清洁替代燃料。对定容燃烧弹内合成气层流火焰传播过程的研究有助于了解合成气在真实燃烧设备中的燃烧状况，尤其是火焰传播过程研究中获得的层流燃烧速度，是燃烧学研究中一个非常重要的参数。它和湍流燃烧过程有着非常密切的联系；同时，层流燃烧速度也被用来验证化学反应机理的准确性以及协助燃烧室的设计。 本文在973项目和教育部基金的资助下 ，利用定容燃烧弹实验平台开展合成气层流燃烧速度测量及层流火焰传播过程的基础研究。运用CHEMKIN的PREMIXED 代码和不同的化学反应机理模拟合成气的一维火焰传播过程，就不同因素对层流燃烧速度的影响进行分析和解释；利用火焰自身不稳定性理论对不稳定火焰的传播过程进行分析。研究获得的主要结论和创新性成果有： 1. 获得了不同工况下褶皱火焰前锋面的传播过程并用火焰自身不稳定性理论进行分析。结果表明水蒸气和二氧化碳的添加在常压下促进了火焰的不稳定性，在高压下抑制了火焰的不稳定性。对路易斯数、火焰厚度和热膨胀率的分析表明，上述现象主要是由于水蒸气和二氧化碳对热扩散和动力学不稳定性相反效果相互竞争的结果。水蒸气对不同CO/H2比例下合成气的临界半径的影响不同。对于CO/H2比例为50/50和65/35的合成气来说，临界半径随着水蒸气的添加而增大。当合成气中CO/H2的比例减小到20/80和0/100，临界半径会随着水蒸气的添加而减小。临界Peclet数始终随着水蒸气的添加而减小。此外，研究发现当火焰半径大于临界半径之后，火焰并没有直接进入自相似的火焰加速阶段，而是经历了一个过渡阶段。在过渡阶段内，加速因子随着火焰前锋面的传播而逐渐增大，并且会在某个时刻达到一个常数。但是加速因子始终小于1.5。 2. 在定容燃烧弹实验平台上获得合成气传播过程中腔体的压力。结果表明最大爆炸压力随着CO/H2比例的增大而减小，但是绝热平衡压力却随着CO/H2比例的增大而增大。计算表明，火焰传递到壁面单位面积上的热损失随着燃料混合气中CO的增加而增加。对于CO/H2比例为50/50以及75/25的合成气，最大压力升高率随着H2O的添加而逐渐降低；对于燃料中CO/H2比例为95/5的合成气，最大压力升高率随着H2O的添加先升高后降低。研究表明最大压力升高率和层流燃烧速度有着非常重要的关系。 3. 获得了不同工况下湿合成气的层流燃烧速度数据，并且研究了水蒸气对层流燃烧速度的影响。结果表明，对于CO/H2比例为50/50和75/25的合成气来说，水蒸气的添加会导致层流燃烧速度的持续下降；当燃料中CO/H2的比例增大到95/5的时候，层流燃烧速度随着水蒸气的添加先增大后减小。自由基池和路径分析表明水蒸气主要通过控制H2+O=H+OH, H2+OH=H+H2O, H2O+O=OH+OH, CO+OH=CO2+H这四个基元反应来影响自由基池的浓度和层流燃烧速度。 4. 比较了水蒸气和二氧化碳稀释对合成气层流燃烧速度的影响。结果表明水蒸气和二氧化碳的添加均降低了层流燃烧速度并且二氧化碳有着更强的降低效果。研究表明稀释气对合成气层流燃烧速度的影响主要体现在热力学层面和燃烧化学反应层面上。引入虚拟的稀释气FH2O和FCO2来研究稀释气对火焰速度影响的直接化学效果。结果表明二氧化碳抑制了合成气的燃烧化学反应，但是水蒸气促进了合成气的层流燃烧化学反应。并且水蒸气更多是通过影响一氧化碳的化学反应对层流燃烧起到促进作用。 5. 发展了从不稳定火焰传播过程获得层流燃烧速度的测量方法。本方法在Bradley工作的基础上，采用了最新的火焰自身不稳定性模型和实验确定的加速因子，经过临界Peclet数的测量、不稳定性半岛结构的修正、实验加速因子的确定等过程，排除不稳定火焰传播过程中的火焰加速的效果，扩展了测量范围，获得了更准确的层流燃烧速度。处理的结果表明Davis机理和Li机理均高估了合成气的层流燃烧速度并且计算和实验的差距随着当量比的增加而增大。

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层流燃烧速度 合成气 火焰传播过程 火焰自身不稳定性

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以导电塑料作为基体的柔性染料敏化太阳电池（Dye-sensitized solar cell，DSC），具有质量轻、可变形、适合低成本卷轴式生产等特点，成为DSC研究的重要方向。由于导电塑料耐热温度较低（150℃），这使得常用于玻璃基体DSC的TiO2薄膜高温处理方法在导电塑料基体上难以适用，可用的低温方法制备的TiO2薄膜颗粒与颗粒之间结合较弱，这使得柔性DSC大规模应用需要解决光电转换效率低和耐弯曲性能低两个基本问题。近来年，柔性DSC的研究主要集中在如何提高电池的光电转换效率这一问题上，而对于电池的弯曲性能问题尚未形成系统深入的认识。由于柔性DSC在应用过程中不可避免会受到弯曲作用，因此，研究电池的弯曲性能及其性能变化机理，对于推进高性能DSC的研究开发及应用具有重要意义。本研究采用真空冷喷涂法在柔性氧化铟锡（Indium Tin Oxide，ITO）聚萘二甲酸乙二醇酯（Polyethylene naphthalate，PEN）导电基底上制备TiO2薄膜作为光阳极并组装柔性DSC，通过对电池进行系统定量的弯曲试验，以弯曲模式、弯曲半径以及弯曲次数为参量，研究了电池在弯曲过程中输出性能的变化规律，同时结合电池电化学性能变化规律以及光阳极组织结构变化规律，探讨电池可能的弯曲失效机理，为全面揭示电池弯曲服役行为规律以及设计制备高效耐弯曲柔性DSC的提供依据。确立了ITO-PEN基体上化学沉积Pt对电极的工艺。阐明了沉积时间对化学沉积Pt对电极表面形貌、电学以及电催化性能的影响，提出了可解释其电学以及电催化性能变化规律的化学沉积Pt表面积变化模型。化学沉积0.5 min制备的Pt对电极是由10~30 nm的Pt颗粒组成的不连续结构，其Pt担载量（7 μg?cm-2）仅为溅射Pt对电极（232 μg?cm-2）的3%左右，但其催化活性以及组装电池的效率都与溅射Pt对电极相当。研究阐明了Pt对电极结构对其多次弯曲性能的影响。化学沉积（0.5 min）制备的Pt对电极呈不连续结构，具有较强的缓和应变的能力，呈现优异的耐弯曲性能，其电催化性能随着弯曲次数的增加基本保持不变。而溅射制备的连续结构Pt对电极的电催化性能随弯曲次数的增加呈小幅提高的趋势，主要原因是Pt膜在拉压应力作用下出现屈曲分层以及纵向开裂现象，从而增加了Pt膜的有效表面积；但当弯曲半径较小时，Pt膜经过多次弯曲后可能出现剥落现象，由此提出了连续结构Pt对电极多次弯曲失效模型。研究阐明了电池弯曲过程中的性能演变规律，发现了电池弯曲强化效应，揭示了电池弯曲失效机理和性能强化机理。结果表明，柔性DSC在小半径弯曲态下由于光阳极与对电极发生接触使得电池内部短路发生失效，为此，提出了采用喷雾法在TiO2薄膜表面制备一层由大颗粒的Al2O3组成的绝缘层抑制弯曲态下电池内部短路的方法。对柔性DSC进行多次弯曲试验发现存在某一临界半径（外弯曲12 mm，内弯曲9 mm，双向弯曲12 mm），当弯曲半径小于临界弯曲半径时，电池效率随着弯曲次数的增加而逐渐下降；当弯曲半径大于临界弯曲半径时，电池效率随着弯曲次数的增加而逐渐升高。电池效率下降的主要原因是TiO2薄膜的开裂以及剥落，由此提出了针对三种弯曲模式下的多次弯曲失效模型。弯曲强化效应主要源于多次弯曲诱发了TiO2薄膜中颗粒与颗粒之间结合各向异性，即纵向结合增强、横向结合减弱，导致电子在TiO2薄膜中纵向传输增强、横向传输减弱，从而提高电子的收集效率和电池效率。研究提出了采用真空冷喷涂法制备散射层以进一步提高电池效率的方法。阐明了加速气流量对真空冷喷涂散射层颗粒与颗粒之间结合的影响，提出了真空冷喷涂涂层颗粒与颗粒之间结合的模型。通过引入散射层，电池的性能从3.88%显著提高到4.70%。TiO2散射层与TiO2纳米晶多孔膜结合状态的改善，有利于提高电池效率以及耐多次弯曲性能。优化后的光阳极由15 μm TiO2纳米晶多孔膜、10 μm TiO2散射层以及5 μm Al2O3绝缘层组成，其与化学沉积Pt对电极组装的柔性电池的最高效率达到5.15%，且具有良好的耐单次和多次弯曲性能。

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TiO2 染料敏化太阳电池 弯曲性能 真空冷喷涂

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