大氣壓輝光放電與等離子體射流的模擬研究.pdf

1、近年來，大氣壓低溫等離子體在生物醫(yī)學、材料表面改性、納米技術及污染治理等領域得到廣泛應用，其中脈沖射頻輝光放電和脈沖直流等離子體射流由于具有活性高和氣體溫度低的優(yōu)點而得到了重點關注。和傳統(tǒng)的低氣壓射頻輝光放電相比，大氣壓脈沖射頻輝光放電可以直接在兩極板之間獲得，不受真空放電腔體的限制，大大節(jié)約了成本，同時具有良好的化學特性；大氣壓脈沖直流等離子體射流可以在外界空氣中產(chǎn)生而不受放電腔室的限制，因此可以處理具有復雜結構的三維目標，同時化學活

2、性強，氣體溫度低至即使和人體直接接觸也不會有灼熱感和電擊感。然而上述兩種放電形式包含的等離子體物理化學過程異常復雜，因此需要對其進行深入研究。本文中我們采用一維和二維自洽的流體力學模型，通過耦合連續(xù)性方程和泊松方程，分別對大氣壓脈沖射頻輝光放電和脈沖直流等離子體射流進行數(shù)值模擬，以揭示其背后的物理機制。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、琶}沖射頻輝光放電上升沿中的放電模式轉(zhuǎn)換與O(5p1)粒子的產(chǎn)生機制。放電初始階段，輻射均勻分布在兩個電

3、極之間。隨著外加電壓逐漸升高，輻射開始向陰極鞘層附近移動，放電模式從均勻放電逐漸過渡到α模式。電壓升高過程中不斷擴張的鞘層使隨機加熱的能量快速增加，從而導致了放電模式的轉(zhuǎn)換。通過對比777 nm輻射空間分布的實驗及仿真結果，確定He*和He2*分解并激發(fā)O2的反應是最主要的O(5p1)產(chǎn)生機制。因為亞穩(wěn)態(tài)粒子不受電場影響，777 nm輻射的分布也不受鞘層影響。脈沖射頻輝光放電相比等離子體射流產(chǎn)生高濃度活性粒子的區(qū)域更大，因此其殺菌效率也

4、更高。
　?、频入x子體射流推進機理的研究。放電過程中，因為電子的遷移率遠大于離子，因此玻璃管內(nèi)壁附近會形成等離子體鞘層。在鞘層的作用下，管內(nèi)的等離子體被徑向壓縮到玻璃管中央的狹小空間內(nèi)。射流推進到管外時，在管口處的強電場和氣流混合區(qū)域的共同作用下，形成了環(huán)狀結構。射流頭部可以看作是一個帶電球體，絕大部分的電離都發(fā)生在這個球體內(nèi)，使放電由電子崩向流注轉(zhuǎn)變。射流頭部的電離相當于延長了導電通道，將強電場區(qū)域推向前方，射流在這個過程中不斷

5、前進。彭寧電離是管外重要的電離機制，電離產(chǎn)生的電子提高了等離子體導電通道的電導率，從而促進了射流的傳播。
　?、枪ぷ鳉怏w純度對等離子體射流影響的研究。工作氣體選用純度分別為99.99999％（高純度）、99.99%、99.9%和99%的氦氣，雜質(zhì)氣體為空氣。研究發(fā)現(xiàn)，雜質(zhì)氣體的引入顯著提高了管內(nèi)活性粒子的密度，而管外的活性粒子密度則提升有限。空氣中的光電離在局部放電向流注轉(zhuǎn)化的過程中起到了關鍵作用，高純度氦氣情況下，光電離不能提供

6、足夠的種子電子，管內(nèi)放電無法形成射流。這主要是因為過低的光電離反應率以及光電離和電離發(fā)生區(qū)域之間過長的距離阻礙了射流的形成，通過提高外加電壓和縮短電極與管口之間的距離可以克服這一缺點。同時，光電離還能提高射流的推進速度。
　　⑷等離子體射流中OH的產(chǎn)生機理研究。仿真模型計算得到的OH密度與實驗激光誘導熒光（LIF）測量結果一致。通過分析所有OH參與的反應發(fā)現(xiàn)，電子碰撞分解水分子、電子和水離子的復合以及O(1D)碰撞分解水分子的反應

7、是生成OH的最主要途徑；OH和H復合的三體反應則是消耗OH的最主要途徑。工作氣體中分別引入少量的氮氣、氧氣和空氣后，管外的彭寧電離增強，電子密度增加，因此使管外OH密度也相應增加。工作氣體中水蒸氣含量的增加可以顯著提高管內(nèi)射流中的OH密度，但對管外OH密度的提升作用有限，這是因為氣流推進到管外時和周圍空氣進行擴散導致的結果。實驗中管外 OH密度隨水蒸氣含量增加而升高的主要原因是 OH粒子被氣流帶出管外，實質(zhì)上也是管內(nèi) OH密度增加的結果