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大气压氦气冷等离子体射流的流体力学模拟

作　者: 刘富成
导　师: 王德真
学　校: 大连理工大学
专　业: 等离子体物理
关键词: 大气压冷等离子体射流等离子体子弹流体力学模拟气流脉冲放电
分类号: O358
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

近年来,大气压冷等离子体射流由于其独特的优势和广泛的应用前景而受到人们格外的关注。和传统的大气压非平衡等离子体源相比,大气压冷等离子体射流最大的优势就是能够将等离子体产生区域和工作区域在空间中分离开来,在保持放电稳定性的同时,还能保持较强的等离子体化学活性。尽管大气压冷等离子体射流目前已被广泛应用于材料加工和表面改性以及等离子体医学等各个应用领域,但是一些根本性的问题还没有得到很好的解决。因此,需要对其作进一步深入研究。在本论文中,主要开展了以下工作：建立了一个1.5维等离子体流体力学模型,数值研究了针板型放电结构下等离子体射流子弹的产生、传播以及熄灭过程；结果表明：等离子体子弹的传播机制是一种类似于流注的电离波的传播。在其传播过程中,电子的碰撞电离是最主要的电离机制,而潘宁电离可以为其传播提供足够的种子电子。驱动电压的极性决定了等离子体射流的动力学行为,在正脉冲电压驱动下,等离子体子弹头部内存在一个具有高斯型分布的净电荷区域,空间电荷在该区域内激发强电场,电离剧烈,发光比较强。等离子体子弹的传播速度与最大空间电场的变化规律一致,都是首先增加,达到最大值后开始下降。而在负脉冲驱动下,等离子体射流中没有准中性区域的存在,且在阴极附近存在着一个非常窄的阴极位降区。电场在整个射流范围内均比较高,电离也都比较强,没有类似等离子体子弹的结构存在。另外,等离子体射流的传播速度比正脉冲射流的传播速度低,且随时间不断减小。研究了环境空气对氦气冷等离子体射流放电性质的影响。结果发现由于氧的附着效应使得等离子体射流中的电子密度降低了。氦亚稳态原子与空气之间的潘宁电离作用促进了电离反应,加快了射流的传播速度。在不考虑空气扩散效应的情况下,当空气含量小于1%时,等离子体射流的最大传播速度随着空气含量的增加而增大；而当空气含量大于1%时,随着通道内空气的增多,射流的传播速度将不断地降低。等离子体射流的长度随着空气含量的增加不断减小。考虑了空气扩散的作用,利用一维径向流体力学模型研究了等离子体子弹横截面上环形结构的形成机理。结果表明由于气体成分的不均匀空间分子造成的电子直接碰撞电离变化是环状结构形成的根本原因。基于一维等离子体流体力学模型,研究了气流对平板型等离子体射流中心放电放电特性的影响。在亚微秒单极脉冲驱动下,气流对第一次放电的影响比较显著,而对第二次放电几乎没有影响。随着气体流速的增加,第一次放电的放电电流不断减小,且放电时刻也不断延迟,这是由于种子电子在气流的作用下移出放电区域所造成的；在交流驱动下,由于空间电场的存在,电子的迁移输运比对流输运高很多,因此气流的输运主要体现在正离子的对流输运上。气流的存在造成了正负半周内的放电上下不对称。同时由于表面电荷的作用,使得相邻两次放电之间的时间间隔不再相等,而是呈现长短交替的变换规律。当气流超过某一临界值,系统会经历倍周期分岔过程而进入一个二倍周期的放电状态。基于自洽的二维等离子体流体力学模型,研究了直流脉冲驱动下放电参数(例如脉冲频率、上升沿时间、介电常数等)对放电性质的影响。模拟结果显示：随着脉冲重复频率的增加,两次放电电流的大小均不断减小,且第一次放电电流的峰值时刻不断提前。在正脉冲放电电流峰值时刻,瞬时阴极附近的最大电子密度随着脉冲重复频率的增加而不断减小,其峰值对应的位置不断向瞬时阴极靠近。而在负脉冲放电电流峰值时刻,虽然瞬时阴极附近的最大电子密度也随着脉冲重复频率的增加而不断减小,但是其峰值对应的位置却不断向瞬时阳极靠近。随着上升沿时间的增大,两次放电电流的大小也都不断减小。下降沿时间的长短对对第二次放电电流影响明显。下降沿时间越长,第二次放电电流越小。基于自洽的二维等离子体流体力学模型,研究了大气压氦气冷等离子体射流在自身环境气体中以及在介质管中的传播问题。得到了电子密度、电离速率、空间电场以及电子温度等参量的时空分布规律,分析了介质管大小以及介质管介电常数对射流放电性质的影响,得到了一种提高电子密度和射流尺寸的新方法。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
CONTENTS  11-13
图表目录  13-18
主要符号表  18-19
1 绪论  19-33
  1.1 研究背景以及国内外研究现状  19-23
  1.2 大气压冷等离子体射流的分类  23-25
  1.3 几种常见的大气压冷等离子体射流及其动力学行为  25-32
  1.4 本论文主要内容安排  32-33
2 针板电极下大气压氦气等离子体射流的数值模拟  33-56
  2.1 引言  33-34
  2.2 物理模型  34-39
  2.3 模拟结果与讨论  39-54
    2.3.1 等离子体子弹的动力学行为  39-45
    2.3.2 等离子体子弹的传播机理  45-49
    2.3.3 等离子体射流的极性效应  49-51
    2.3.4 等离子体子弹的熄灭  51-54
  2.4 小结  54-56
3 环境空气对大气压氦气冷等离子体射流的影响  56-66
  3.1 引言  56-57
  3.2 理论模型  57-59
  3.3 模拟结果与讨论  59-65
  3.4 小结  65-66
4 大气压冷等离子体射流径向结构的数值模拟  66-80
  4.1 引言  66-67
  4.2 论模型  67-71
    4.2.1 中性气体流体动力学模块  67-70
    4.2.2 等离子体动力学模块  70-71
  4.3 计算结果与讨论  71-78
  4.4 小结  78-80
5 大气压介质阻挡均匀放电中的气流效应  80-99
  5.1 引言  80-81
  5.2 物理模型  81-83
  5.3 微秒脉冲驱动大气压辉光放电中的气流效应  83-92
  5.4 交流驱动下大气压辉光放电中的气流效应  92-97
  5.5 小结  97-99
6 放电参数对大气压氦气脉冲放电特性的影响  99-113
  6.1 引言  99
  6.2 理论模型  99-100
  6.3 计算结果与讨论  100-111
    6.3.1 大气压氦气脉冲放电的放电特性  101-103
    6.3.2 放电参数对放电特性的影响  103-109
    6.3.3 非均匀气流下的大气压脉冲放电  109-111
  6.4 小结  111-113
7 针电极结构下大气压氦气冷等离子体流的二维模拟  113-127
  7.1 引言  113-114
  7.2 物理模型描述  114-117
  7.3 模拟结果与讨论  117-126
    7.3.1 冷等离子体射流在环境氦气中的自由传播  117-121
    7.3.2 冷等离子体射流在介质管内的传播  121-126
  7.4 小结  126-127
8 结论与展望  127-130
  8.1 结论  127-128
  8.2 展望  128-129
  8.3 创新点摘要  129-130
参考文献  130-142
攻读博士学位期间科研项目及科研成果  142-143
致谢  143-144
作者简介  144-145

大气压氦气冷等离子体射流的流体力学模拟

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