低温等离子体射流的模拟研究

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大气压等离子体射流是采用特殊电极结构,利用气流和电场的作用使放电区域产生的等离子体从喷管或孔口中喷出,从而在周围的大气环境中形成定向的流动。因此,它的发展离不开对喷射气流和等离子体放电机制及其特性的理解和把握。目前国内外有大量的实验研究等离子体射流的传播并尝试用一些理论去解释,如streamer(流注)理论,但不同的电源驱动、不同的喷射气体、不同的器件结构,等离子体源的放电机理将会不同,而对等离子体射流器件的模拟研究则可以透过射流种种不同的表现形式抓住其内在的物理机理,因此需要数值模拟来帮助我们更深入地了解等离子体射流。  本文首先分析了层流状态下大气压低温等离子体射流的动力学特性。通过建立射流器件二维轴对称模型,利用COMSOL软件耦合求解了层流状态下等离子体射流的连续性方程、N-S方程和对流扩散方程,分析了不同气体流速、喷口直径及工作气体条件下,喷射气流在空气中的轴向(z)和径向(r)摩尔分数分布,并研究了流速、喷口直径和工作气体对射流特性的影响。模拟结果表明:气体流场与射流传播时的路径密切相关,是影响射流传播的关键因素之一;在层流状态下,可以用工作气体He与空气混合的摩尔分数为0.99时的轴向传播长度去估测射流传播的长度,该长度与入射气体流速、喷口直径的平方成线性关系,即与气体体积流量成正比,模拟结果与文献中实验结果一致;相同条件下,He、Ne、Ar三种工作气体在轴向上的摩尔分数分布依次增大,它们与空气混合的摩尔分数为0.99时的轴向传播长度依次增加,可推测同等条件下Ar气的射流长度最长。  其次,本文耦合层流的计算结果,进一步求解分析了气体的放电过程和放电特性。建立了气体放电的物理模型,耦合求解了等离子体的连续性方程,能量方程和泊松方程,分析了纯氩气(Ar)及Ar+1%O2均匀混合气体的放电过程及放电特性,并初步求解了Ar射流喷射到空气中的放电过程和特性,主要包括电势的分布情况,电子、离子及亚稳态粒子的传播过程。结果表明:大气压下的纯Ar放电及Ar和少量氧气混合气体的放电均遵循流注理论,它们的放电过程可用流注理论解释;自洽电场是除了气体流场以外,另一个影响射流等离子体传播的关键因素,自洽电场决定了射流等离子体的传播行为,维持了射流等离子体的向前传播;99%Ar+1%O2混合气体的放电虽然较缓和,但O2的引入,将产生较多的活性粒子,有利于它的进一步应用。
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