大氣壓低溫等離子體射流放電特性的仿真和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、等離子體是指氣體由于從外部獲取一定的能量后，有一部分或全部氣體達(dá)到電離的準(zhǔn)中性狀態(tài)。產(chǎn)生等離子體射流的方法常見(jiàn)的有氣體放電、高能粒子作用、加熱等。大氣壓等離子體射流具有低溫和非平衡的特點(diǎn)。低溫指溫度在108K，而非平衡則是指電子溫度大于氣體溫度，兩者差異越大，非平衡程度越高。
　　大氣壓等離子體射流技術(shù)由于產(chǎn)生等離子體溫度低，活性物濃度高等特點(diǎn)在材料改性、滅菌、環(huán)境保護(hù)等方面應(yīng)用甚廣。等離子體射流技術(shù)的原理是使用外加激勵(lì)源在一個(gè)有

2、限的腔體內(nèi)產(chǎn)生等離子體后用氣流將等離子體吹出放電腔體。
　　射流技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)有：⑴產(chǎn)生條件低，只需大氣壓下幾千伏電壓就能產(chǎn)生；⑵等離子體一經(jīng)產(chǎn)生就離開(kāi)高壓電極，保證了人員的安全；⑶管口噴出的射流推進(jìn)速度很快，能在壽命較短的活性粒子消失前到達(dá)被處理物體表面；⑷噴出管外的射流其溫度接近室溫，且能量較低，不會(huì)引起被處理物體的明顯溫升；⑸對(duì)被處理物體的形狀尺寸沒(méi)有要求，如果移動(dòng)射流裝置，可以對(duì)三維物體進(jìn)行處理。
　　當(dāng)前研究包括下

3、述三方面：⑴放電特性研究，構(gòu)建等效電路模型仿真電壓電流波形，但主要應(yīng)用在板板型介質(zhì)阻擋放電領(lǐng)域，且以理論計(jì)算為主，未能很好與實(shí)驗(yàn)結(jié)合；⑵電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要電極結(jié)構(gòu)包括針環(huán)結(jié)構(gòu)、環(huán)環(huán)結(jié)構(gòu)、螺環(huán)-環(huán)式結(jié)構(gòu)、微孔陰極結(jié)構(gòu)等，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行驗(yàn)證和放電分析，但對(duì)其機(jī)理研究較少；⑶產(chǎn)物診斷與分析，主要采用激光發(fā)射光譜法以及靜電探針測(cè)量法測(cè)其組分濃度、電子密度和電子溫度，但未能很好地解釋與影響因素的對(duì)應(yīng)關(guān)系?？傊?，由于不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Φ入x子體射流的特性

4、要求不同，探索等離子體射流產(chǎn)生規(guī)律對(duì)于進(jìn)一步產(chǎn)生更具應(yīng)用的針對(duì)性的等離子體射流有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。
　　針對(duì)上述問(wèn)題，本文從針-環(huán)結(jié)構(gòu)這一典型等離子體射流的電極結(jié)構(gòu)出發(fā)，通過(guò)電路仿真分析其電路特性、通過(guò)有限元仿真分析其電場(chǎng)、流體場(chǎng)和等離子體場(chǎng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究其放電影響因素，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究和改進(jìn)放電裝置并測(cè)試性能。本文的主要研究?jī)?nèi)容可以歸納為：
　　首先，運(yùn)用Matlab的Simulink工具箱建立大氣壓等離子體射流的

5、等效電路模型并分析其電壓電流特性。本文發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是射流放電還是DBD板板放電，都有微電流放電現(xiàn)象，且由于交流電場(chǎng)下的極性效應(yīng)使間隙場(chǎng)強(qiáng)疊加，會(huì)使下半周期放電電壓下降放電時(shí)間提前。
　　第二，建立等離子體射流裝置的有限元模型，仿真多物理場(chǎng)影響下的等離子體放電特性并研究電極結(jié)構(gòu)參數(shù)和電源參數(shù)對(duì)放電其影響。本文首先仿真等離子體放電前管內(nèi)電場(chǎng)分布和放電后管內(nèi)電場(chǎng)和空間電荷分布，并研究結(jié)構(gòu)參數(shù)和電源參數(shù)對(duì)電場(chǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)改變間隙和電極尺寸對(duì)

6、改變電場(chǎng)影響較大，接著仿真流體場(chǎng)下側(cè)面通氣和直管通氣的流速和氣壓場(chǎng)分布，發(fā)現(xiàn)側(cè)面通氣結(jié)構(gòu)在管口處氣流速度比直通結(jié)構(gòu)大，但容易出現(xiàn)在小范圍內(nèi)氣壓變化大的問(wèn)題。然后使用COMSOL等離子體場(chǎng)仿真分析了等離子體子彈的發(fā)展，最后使用 Jet&Poudres軟件仿真噴出管外射流，發(fā)現(xiàn)射流的溫度徑向迅速降低，氣流徑向速度遠(yuǎn)小于軸向速度等特點(diǎn)。
　　第三，搭建等離子射流放電平臺(tái)，氬氣為工作氣體，以針環(huán)電極為例，分析結(jié)構(gòu)參數(shù)和外部驅(qū)動(dòng)參數(shù)對(duì)射流長(zhǎng)