INFLUENCE OF EXTERNAL ELECTRIC CIRCUIT CHARACTERISTICS ON THE DEVELOPMENT OF A NANOSECOND PULSE DISCHARGE

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

In this paper, a numerical study is carried out of the influence of the external electrical circuit elements on the processes inside the gas-discharge gap at the stage after the formation of a columnar spark channel closing the electrodes. A method for correcting the current in an electrical circuit based on solving a differential equation for the potential at the anode is proposed. The simulation is carried out for four variants of an external electrical circuit: short-circuiting the source on the electrodes (constant voltage at the interelectrode gap) and with ballast resistance in R, RC- and RLC- circuits. In the first two cases, a constant current source (electromotive force 25 kV) is considered, in the other two, a capacitor C charged at the initial moment (up to a voltage of 25 kV). The processes are modeled in molecular nitrogen at atmospheric pressure (the exception is the last case with a reduced pressure of 150 Torr). In all cases, current and voltage waveforms on all circuit elements were obtained and analyzed.

About the authors

E. A Ermakov

Lomonosov Moscow State University, Faculty of Physics

Email: eg.ermakov2013@yandex.ru
Moscow, Russia

I. E Ivanov

Lomonosov Moscow State University, Faculty of Physics

Email: ivanovmai@gmail.com
Moscow, Russia

References

  1. Znamenskaya I., Koroteeva E., Doroshchenko I., Sysoev N. Evolution and fluid dynamic effects of pulsed columnshaped plasma // Experimental Thermal and Fluid Science. 2019. V. 109.109868 .
  2. Znamenskaya I., Mursenkova I., Doroshchenko I., Ivanov I. Flow analysis of a shock wave at pulse ionization: Riemann problem implementation // Physics of Fluids. 2019. V. 31. No. 11. 116101.
  3. Jia Liu, Mingshu Bi, Haipeng Jiang, and Wei Gao. Evaluation of spark discharge // Journal of Electrostatics. 2020. V. 107. 103500.
  4. Weidong Zhou, Kexue Li, Huiguo Qian, Zhijun Ren, and Youli Yu. Effect of voltage and capacitance in nanosecond pulse discharge enhanced laser-induced breakdown spectroscopy // Applied optics. 2012. V. 51. No. 7. P. 42–48.
  5. Korytchenko K.V., Essmann S., Markus D., Maas U., and Poklonskii E.V. Numerical and experimental investigation of the channel expansion of a low-energy spark in the air // Combustion Science and Technology. 2018. V. 191. No. 12. P. 2136–2161.
  6. Korytchenko K.V., Poklonskii E.V., and Krivosheev P.N. Model of the spark discharge initiation of detonation in a mixture of hydrogen with oxygen // Russian Journal of Physical Chemistry B. 2014. V. 8. No. 5. P. 692–700.
  7. Korytchenko K.V., Shypul O.V., Samoilenko D., Varshamova I.S., Lisniak А.A., Harbuz S.V., and Ostapov K.M. Numerical simulation of gap length influence on energy deposition in spark discharge // Electrical Engineering & Electromechanics. 2021. No. 1. P. 35–43.
  8. Суржиков С.Т. Численное моделирование двухмерной структуры тлеющего разряда с учетом нагрева нейтрального газа // ТВТ. 2005. T. 43. № 6. С. 828–844.
  9. Гладуш Г.Г., Самохин А.А. Численное исследование шнурования тока на электродах в тлеющем разряде // Прикл. мех. техн. физ. 1981. Т. 22. № 5. С. 15–23.
  10. Суржиков С.Т. Физическая механика газовых разрядов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. 640 с.
  11. Ermakov E.A., Ivanov I.E. Numerical study of gas-dynamic and thermal processes in a pulsed electric discharge // Fluid Dynamics. 2023. V. 58. No. 4. P. 745–758.
  12. Ermakov E.A., Ivanov I.E., Kryukov I.A., Mursenkova I.V., and Znamenskaya I.A. Numerical simulations of nanosecond discharge in gas-dynamic flows // Journal of Physics: Conference Series. 2020. V. 1647. 012015.
  13. Kulikovsky A.A. The structure of streamers in N2. I: fast method of space-charge dominated plasma simulation // J. Phys. D: Appl. Phys. 1994. V. 27. P. 2556–63.
  14. Kulikovsky A.A. Nonlinear expansion of the cathode region in atmospheric pressure glow discharge // J. Phys. D: Appl. Phys. 1993. V. 28. P. 431–435.
  15. Surzhikov S.T., Shang J.S. Two-component plasma model for two-dimensional glow discharge in magnetic field // Journal of Computational Physics. 2004. V. 199. No. 2. P. 437–464.
  16. Shkurenkov I., Adamovich I.V. Energy balance in nanosecond pulse discharges in nitrogen and air // Plasma Sources Sci. Technol. 2016. V. 25. P. 12.
  17. Знаменская И.А., Коротеев Д.А., Попов Н.А. Наносекундный сильноточный разряд в сверхзвуковом потоке газа // Теплофизика высоких температур. 2005. Т. 43. № 5. С. 820–827.
  18. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987. 592 с.
  19. Surzhikov S.T., Shang J.S. Multi-Fluid Model of Weakly Ionized Electro-Negative Gas // AIAA. 2004. Paper 04-2659.
  20. Surzhikov S.T., Shang J.S. Physics of The Surface Direct Current Discharge In Magnetic Field // AIAA. 2004. Paper 04-0176.
  21. Kulikovsky A.A. The structure of streamers in N2. II: two-dimensional simulation // J. Phys. D: Appl. Phys. 1994. V. 27. P. 2564–2569.
  22. Сухов А.К. Двумерное моделирование формирования тлеющего разряда в аргоне. Часть 1. Модель и расчетная схема // Вестник КГУ им. Н.А. Некрасова. 2014. № 6.
  23. Toro E.F. The HLLC Riemann solver // Shock Waves. 2019. V. 29. P. 1065–1082.
  24. Toro E.F., Spruce M., and Speares W. Restoration of the contact surface in the HLL-Riemann solver // Shock Waves. 1994. V. 4. P. 25–34.
  25. Годунов С.К. Разностный метод численного расчета разрывных решений уравнений гидродинамики / Матем. сб. М.: Математический институт имени В.А. Стеклова РАН, 1959. Т. 89. № 3. С. 271–306.
  26. Годунов С.К. Численное решение многомерных задач газовой динамики / Под ред. С.К. Годунова. М.: Наука, 1976. 400 с.
  27. Harten A., Lax P.D., and van Leer B. On upstream differencing and Godunov-type schemes for hyperbolic conservation laws // SIAM Review. 1983. V. 25. No. 1. P. 35–61.
  28. Знаменская И.А., Мурсенкова И.В., Наумов Д.С., Сысоев Н.Н. Локализация импульсного объемного разряда в вихревую зону за клином, обтекаемым сверхзвуковым потоком // Вестник Московского Университета. Серия 3. Физика. Астрономия. 2019. № 5. C. 80–85.
  29. Bruggeman P., Brandenburg R. Atmospheric pressure discharge filaments and microplasmas: physics, chemistry and diagnostics // J. Phys. D: Appl. Phys. 2013. V. 46. 464001.
  30. Базелян Э.М., Райзер Ю.П. Искровой разряд. М.: Изд-во МФТИ. 1997. 320 с.
  31. Vitello P.A., Penetrante B.M., and Bardsley J.N. Simulation of negative-streamer dynamics in nitrogen // Phys. Rev. E. 1994. V. 49. 5574.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).