大气压冷等离子体射流二维流体模拟研究

发布时间：2018-11-23 06:11

【摘要】：近年来,大气压等离子体射流作为一种新型的非热平衡等离子体放电技术受到了人们广泛的关注,是目前低温等离子体物理研究与实际应用领域的热点之一。与传统的低温等离子体放电相比,大气压等离子体射流中放电产生的自由基、带电粒子、紫外线、处于激发态和亚稳态的粒子等能够在气流场和电场的共同作用下被传送到相对远距离的区域,从而实现了放电区域和处理区域的相互分离,既保证了放电系统的稳定性,又满足了高化学活性粒子的需要。同时,放电产生的等离子体无电击感和灼热感,能够与生物体相接触,促使了大气压等离子体射流不但在传统的工业应用领域上,也在生物医学领域表现出独特的应用前景。目前,虽然国际上针对大气压等离子体射流开展了相应的实验诊断和数值模拟工作,然而对于某些放电行为以及其潜在的物理机制,人们还不是很清楚,亟需进一步研究。本论文采用了二维轴对称流体模型,针对大气压氦气等离子体射流展开了以下模拟工作：深入理解等离子体射流和材料表面相互作用的物理机理,对于更好地控制处理过程是十分必要的。本论文第三章基于二维轴对称等离子体流体模型,数值模拟了针-板电极结构下大气压等离子体射流与不同介电特性阴极电极的相互作用,分析了阴极电极附近区域放电的演化过程。结果表明：当等离子体射流传播到阴极鞘层边界时,等离子体子弹的轴向传播速度会迅速下降。之后放电演化强烈地依赖阴极材料的介电特性,当等离子体射流作用于导体材料表面时,等离子体放电会被约束在导体表面中心处的圆形区域内,然而当等离子体射流与绝缘材料接触时,等离子体射流会沿着介质材料表面传播。二次电子发射过程以及介质层表面积累电荷效应对放电演化有着重要的影响,鞘层厚度随着二次电子发射系数增加而减小,而介质层表面的离子流密度则随着介电常数的增加而增大。作为大型化等离子体射流阵列中一个不可避免的问题,等离子体射流之间相互作用备受关注,它直接关系着放电系统的稳定性和均匀性。本论文第四章中采用二维轴对称等离子体流体模型,数值模拟了(一个空气环境中氦气通道内的)两个相向传播的大气压氦气等离子体射流传播过程,研究了驱动电压对等离子体射流相互作用的影响。结果表明：相向传播的等离子体射流之间相互作用会抑制等离子体子弹传播,而驱动电压差则是影响着两个射流之间相互作用的物理量之一。当两个驱动电压相同时,两个等离子体放电是完全相同的,并且最终两个等离子体射流不能融合,它们之间的最小间距随着驱动电压和初始电子密度的增加而减小,随着介质管介电常数的增加而增大。当驱动电压不同时,低电压驱动的等离子体射流会先停止传播,最终两个等离子体射流会融合,发生相互融合的位置则强烈地取决于两个驱动电源之间的电压差。优化等离子体源,获得长度更长,等离子体密度更高,放电更稳定的射流源,一直都是等离子体射流研究中的一个重要方向。本论文第五章采用了二维轴对称流体模型,数值模拟了针-环双电极驱动大气压氦气等离子体射流,通过和单环电极驱动得到的等离子体射流对比,突出了双电极驱动的优势,并分析了针电极在放电中所起的作用。结果表明：针电极在放电中起着重要的作用,由于针电极存在,使得放电生成的等离子体射流传播速度更快,电子密度更高,径向尺寸更大。同时还研究了针电极参数对放电的影响,结果发现,相对针尖半径而言,针-环电极间的距离对放电的影响比较大,随着距离的减小,针电极对放电的增强效应更加明显,等离子体射流长度,密度以及放电径向尺寸都随之增大。在论文第六章,采用二维轴对称流体模型模拟研究了大气压氧气环境中传播的氦气等离子体射流,深入研究了等离子体射流从激发到传播以及最后与基板相互作用整个物理过程。放电首先在介质管内激发并沿着介质管内壁传播,然后离开介质管在周围氧气中形成一个电离波(流注,即实验上观测到的等离子体子弹)。在这个过程中流注从环形的中空结构演化成最大值在中心轴处的实心结构。流注在放电间隙内的平均传播速度为3×l05m/s。当放电遇到导体基板后,放电被约束在半径为1mm的圆内,放电强度逐渐减弱。放电遇到绝缘基板后,放电会沿着介质表面传播,放电强度随着径向传播距离的增加而减弱。对于导体基板,基板表面粒子通量的最大值位于中心轴,而在介质基板表面,粒子通量分布呈环形结构。等离子体和表面相互作用的面积会随着介质管出口和基板间距离,或者是绝缘基板介电系数的减小而增大。
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【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O53;O358

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