大气压空气等离子体射流装置的仿真、设计和实验研究

发布时间：2020-07-14 21:14

【摘要】：本文通过仿真和实验两个方面对大气压空气等离子体射流(空气APPJ)装置及其流体和放电特性进行研究,首先通过电场仿真得到APPJ枪的最佳电极参数,然后设计并制备了两种APPJ装置,利用高压交流电源激励成功产生了大气压空气等离子体射流,并通过实验研究其放电特性。主要研究内容归纳如下:(1)仿真部分,包括静电场仿真和气流场仿真。首先是静电场仿真,在COMSOL Multiphysics仿真软件中建立针-金属喷嘴结构和针-环结构的二维轴对称模型,发现二者的电势和电场分布类似,但前者产生的最大电场强度明显大于后者。此外,还建立了预电离双高压电极结构的仿真模型并模拟了其电场分布。随后,基于针-金属喷嘴结构,研究针尖曲率半径、电极间距以及针电极直径等参数对电势和电场的空间分布的影响,发现针尖曲率半径对于场强最大值有较大影响。然后是气流场仿真,主要针对Ar为工作气体。根据雷诺数的大小分为层流和湍流两个模块,分析和比较两种流动状态下气流速度分布和Ar摩尔分布。发现层流时速度分布和摩尔分布相似,随着流速增大轴向摩尔分数占总摩尔分数的比值增大;湍流时速度分布和摩尔分布则有显著差异,射流前段的速度分布呈发散状,而摩尔分布则更集中,流线图表明这是空气卷吸进入Ar气流的结果。接着本文模拟了不同喷口直径对APPJ特性的影响。(2)实验部分,分别是针-金属喷嘴结构和预电离DBD结构的射流放电实验。首先利用高频高压AC电源激励针-金属喷嘴结构的等离子体枪产生大气压低温等离子体射流,产生APPJ的工作气体包括空气、N_2和Ar,其中N_2和Ar射流用来和空气射流作比较,包括射流长度、气体温度、放电电压等特性的比较。发现氮气和空气射流的各项参数较为接近,Ar射流的放电电压和功率远低于空气射流,同时其尺寸也较小。此后,分别改变调压器输出电压和空气体积流量,研究这两个变量对于射流气体温度、放电功率等特性的影响。此后,将预电离双高压电极结构APPJ装置用于空气、氮气和氩气放电。结果表明,该装置能够击穿空气产生等离子体,但是放电强度较低,产生等离子体的体积也较小,基本上局限在介质管中。该装置利用N_2和Ar放电时,都能产生气体温度为室温、长度较长的APPJ,与针-金属喷嘴结构相比,发现针-金属喷嘴结构更适用于氮气和空气放电,而DBD则适用于击穿电压更低的惰性气体放电,这一结论对应了前文中电场仿真的结果。本文的研究内容为大气压空气等离子体射流装置的设计、参数优化提供了理论和技术支撑,对促进等离子体射流的发展具有一定的意义。
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O53
【图文】：

1.1 大气压等离子体的产生等离子体和气体、液体以及固体一样，是物质的一种聚集状态，被称为物质的第四态。如果将气体温度提高，使得气体分子的热运动动能接近它的电离能时，只通过碰撞作用就可以使得很多分子电离。原来由原子或分子组成的中性气体，会变成由带负电的电子和带正电的离子，可能还有部分中性的分子和原子组成的物质状态，这就是等离子体态。等离子体可以通过辉光放电和火花放电产生，同时也在自然界中广泛存在，极光、闪电等即为地球上出现的天然等离子体。大气压等离子体，顾名思义即为大气压下产生的等离子体，一般是由气体放电产生[1]。通过某个过程，使得一个或多个电子摆脱气体原子或分子，形成的气态物质称为电离气体。电离气体中含有多种成分，包括中性原子或分子以及离子、电子等。如果在放电空间的外部提供电场，使气体电离并伴随着传导电流，则把这种现象称为气体放电。大气压气体放电的形式包括很多种，一般有电晕放电、辉光放电、汤森放电、电弧放电和火花放电以及介质阻挡放电等，不同放电形式需要不同的环境，产生具有不同特性的等离子体。图 1.1 为气体放电的伏安特性曲线，下面根据图 1.1 对这几种放电形式做简要的说明：

2 两种典型的针电极 APPJ 装置示意图，（a）实心针电极；（b）毛细管针电极chematic diagram of two typical needle electrode APPJ devices, (a) solid needle el(b) capillary needle electrode

4典型的针-环电极 APPJ 装置示意图，（a）单介质阻挡；（b）双matic diagram of two typical pin-ring electrode APPJ devices, (a) singbarrier; (b) double dielectric barrier挡结构中，若将实心的高压针电极换为空心针，则称为时作为射流装置的高压电极和进气口。近几年，Akhlag结构的冷氦气 APPJ 装置[52]，并将其用于处理最具攻击胞，取得了良好效果。此外，Ohashi 等人[53]在双介质阻挡结

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本文编号：2755491