코로나 - 스트리머 방전 해석과 연속체 민감도 해석에 기반한 전극 및 절연체 형상최적설계 :Electrode and insulator shape optimization using continuum sensitivity analysis in corona - streamer discharge system

최찬영

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자료유형: 학위논문

저자정보: 최찬영 (성균관대학교, 성균관대학교 일반대학원)

지도교수: 박일한

발행연도: 2021

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이용수17

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2021

SUPG-FEM 기반 코로나-스트리머 방전 해석을 통한 방전 간격 최적 설계

최찬영 , 박일한 대한전기학회 학술대회 논문집 2021.07 학술대회자료

코로나 - 스트리머 방전 해석과 연속체 민감도 해석에 기반한 전극 및 절연체 형상최적설계

최찬영 전자전기컴퓨터공학과 2021.01 학위논문

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본 논문에서는 유체법을 이용한 코로나 ? 스트리머 방전의 과도상태 해석에 적합한 새로운 수치해석기법을 제안하였으며, 대기압 비열 플라즈마 방전 해석을 바탕으로 연속체 민감도 해석에 기반한 최적화 알고리즘을 적용하였다. 다물리 방전 해석 결과 도출되는 하전입자 분포에 의한 전기장 왜곡을 함께 고려하는 정전계 민감도 기반 최적설계기법은 본 논문에서 처음 적용되었다. 해석영역을 이산화하는 방법으로 비정렬격자망을 채택하였으며, 해의 정확성을 향상시키기 위하여 SUPG-FEM-FCT기법을 개발하였다. 또한 계산 과정 중에 불필요한 노드를 줄이기 위하여 적응요소발생기법을 추가하였다. 다음으로, 공간전하 거동 해석 검증모델을 설계하여 해석해 및 수치해를 비교하였다. 본 논문에서는 단극성/양극성 이온입자 거동해석을 수행하였다. 이러한 해석 결과는 기존에 알려진 해석해와 일치하였다. 코로나 ? 스트리머 방전 수치 해석의 타당성을 검증하기 위하여 먼저 평행판 커패시터에서 일어나는 대기중 정극성 코로나 방전을 해석하였다. 하전 입자로 전자, 양이온, 음이온을 고려하였고, 생성 소멸항으로 이온화 계수, 부착 계수, 재결합 계수를 사용하였다. 또한, 음극에서 일어나는 이차전자 방출과 광전자 방출, 방전 영역에서 나타나는 광전리 과정도 함께 고려하였다. 광전리 과정을 추가하였을 때, 기존에 알려진 실험값과의 오차가 줄어들었다. 두 번째로, 핀 ? 평판 전극에서 일어나는 대기중 정극성 코로나 방전 해석을 수행하였다. 하전입자 생성 메커니즘은 앞서 평행판 커패시터와 동일하나, 이번에는 질소 및 산소의 출동 단면적 데이터를 기반으로 볼츠만 방정식을 풀어 방전 군집 계수들을 추출하였다. 해석 결과, 방전 전류의 파형이 실험적으로 알려진 전류 파형과 유사함을 확인하였다. 특히, 핀 ? 평판 전극에서는 인가 전압에 따른 다양한 코로나 모드 특성들을 수치해석으로 구현하였다. 다음으로, 평행판 커패시터 및 핀 ? 평판 전극 모델에서 양극 혹은 음극 면에 유전체가 도포되었을 시 유전장벽방전 수치해석을 수행하였다. 해석결과 절연파괴 스트리머로 전이되지 않고 방전 전류가 소멸되는 것을 확인하였으며, 이러한 전류 파형은 기타 논문에서 발췌한 파형과 유사하였다. 마지막으로, 코로나 ? 스트리머 방전 수치해석 결과를 바탕으로 핀 ? 평판 전극 모델에서 양극 형상최적설계를 수행하였다. 에너지 목적함수로 절연파괴 스트리머 형성을 억제하도록 하였으며, 양극 표면 전계 세기를 균일하게 하여 방전 이용률을 향상시켰다. 또한 유전장벽방전해석을 통해 절연체의 폭 및 형상최적설계를 수행하였다.

This dissertation presents novel numerical method using fluid approach to simulate the corona-streamer discharge and dielectric barrier discharge. Based on the atmospheric pressure non-thermal plasma discharge simulation, the author applies an optimization algorithm using continuum sensitivity analysis. The continuum sensitivity-based optimal design technique, which considers the space charge distribution derived from the multi-physical discharge analysis and the electric field distortion due to the surface charge accumulated on the dielectric surface, was applied for the first time in this paper. The unstructured mesh was adopted, and the streamline upwind Petrov-Galerkin finite element method with flux corrected transport(SUPG-FEM-FCT) was developed to improve the accuracy of the solution. In addition, an adaptive mesh refinement method was adopted to reduce unnecessary nodes during the discharge simulation. In this paper, the behavior of unipolar/bipolar ion particles was analyzed. The results were consistent with the data referred from other papers. In addition, the positive corona-streamer and dielectric barrier discharge occurring in the parallel and pin-plate electrode model were analyzed to verify
the validity of the numerical analysis of the corona-streamer discharge system. In particular, the secondary electron and photoelectron emission occurring in the cathode, and the photo-ionization process occurring in the discharge region were considered. As a result, it was confirmed that the waveform of the simulation-based discharge current is similar to the experiment results. Finally, the anode shape optimization design was performed in various models based on the results of the discharge analysis. The optimized model suppresses the formation of the breakdown streamer, and the electric field strength on the anode surface was uniform. In addition, through the dielectric barrier discharge analysis, the optimal design of the insulator width and shape was performed.

#방전 해석 #불꽃 방전 #코로나 방전 #스트리머 방전 #최적설계

제 1 장 서론 1
1.1절 연구의 배경 및 목적 1
1.2절 연구의 개요 10
제 2 장 관련연구 12
2.1절 유체법을 이용한 코로나-스트리머 방전 수치해석 12
2.2절 SUPG-FEM-FCT 수치해석기법 23
2.3절 연속체 역학의 전미분 개념을 이용한 정전계 민감도 해석 58
2.4절 레벨 셋 기법 76
제 3 장 공간 전하 거동 해석 검증모델 83
3.1절 1차원 해석에 필요한 무차원 지배방정식 유도 83
3.2절 간단 전하 주입 조건 시, 1차원 정상상태 해석해 및 수치해 비교 86
3.3절 비점성 Burger’s equation 1차원 해석해 및 수치해 비교 93
3.4절 양극성 이온입자 거동의 해석해, 수치해의 비교 97
제 4 장 평판 전극 코로나-스트리머 방전 및 유전장벽방전 해석 105
4.1절 해석모델 105
4.2절 해석 결과 107
4.3절 평판 전극에서의 유전장벽 방전 해석 118
제 5 장 핀 ? 평판 전극 코로나-스트리머 방전 및 유전장벽방전 해석 128
5.1절 해석모델 128
5.2절 해석 결과 130
5.3절 핀 ? 평판 전극에서의 유전장벽방전 해석 146
제 6 장 전극 및 절연체 형상최적설계 149
6.1절 단극성 이온입자 거동을 고려한 전극 간격 최적설계 149
6.2절 단극성 이온입자의 표면 축적을 고려한 절연체 간격 최적설계 153
6.3절 단극성/양극성 이온입자 거동을 고려한 전극 형상 최적설계 157
6.4절 코로나-스트리머 방전 해석 기반 전극 형상최적설계 169
6.5절 유전장벽방전 해석 기반 절연체 폭/형상 최적설계 190
제 7 장 결론 201
참고문헌 205
ABSTRACT 217

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