不同流速下大气压氦气等离子体射流二维数值模拟研究

作     者：温庆林 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王艳辉

授予年度：2018年

学科分类：07[理学] 070204[理学-等离子体物理] 0702[理学-物理学] 

主      题：大气压低温等离子体射流 二维流体模型 气流流速 层流 湍流 

摘      要：近年来,大气压低温等离子体射流由于其独特的优势而成为等离子体领域的一个研究热点。等离子体射流源通常以惰性气体为工作气体,在高电压的驱动下首先在腔室内产生等离子体,然后在电场和气流等因素的作用下喷射到空气中。与其他等离子体源相比,大气压等离子体射流的关键特征是它不受放电间隙尺寸的限制,可以在开放空间传播,而且高压放电区域和材料处理区域分离,不仅降低了被处理靶材对放电行为的影响,同时也提高了应用安全性。这些特点使得大气压等离子体射流在材料处理、环境工程、生物医学等领域具有极大的应用前景。目前,虽然国内外学者对大气压等离子体射流的产生及传播特性已经进行了大量的研究,但是仍有许多方面有待于进一步探究。气体流速决定工作气体的传播模式及在空气中分布状态,因而直接影响等离子体射流传播特性及射流的稳定性,本文基于二维等离子体流体模型和中性气体流体动力学模型,对环电极结构、脉冲驱动的大气压氦气等离子体射流进行了模拟,详细研究了层流状态和湍流状态的等离子体射流传播特性及等离子体射流的稳定性问题,具体内容如下:在论文的第三章,基于二维轴对称流体模型和中性气体流体动力学模型,对层流状态下,大气压氦气等离子体射流的产生和传播过程,以及中性气体的输运过程进行了模拟研究。重点研究了气流速度对等离子体射流传播特性的影响,以及产生这些影响的内在原因。模拟结果表明,在层流状态下,等离子体射流呈现出稳定的轴对称结构,射流半径随射流的传播呈现减小趋势。随气流速度的增大等离子体射流传播长度线性增大。产生这些行为的主要原因是由于放电空间氦的摩尔分数分布随气流速度的改变发生了相应的变化。在层流状态,等离子体射流产生的各种活性粒子密度在射流传播中呈现出稳定的环形中空结构,而且亚稳态粒子He和N的密度远高于其他带电粒子。在模拟条件下,驱动电压的增加并不影响层流状态等离子体射流的稳定结构。电压越高,等离子体射流的传播速度越大,传播距离越远,同时等离子体射流产生的活性粒子密度越高。因此,为了得到传播距离更长的等离子体射流,在层流情况下,增大中性气体的流速和加大电压都是很有效的途径。当氦气流速度足够大时,氦气流从层流状态向湍流状态过渡。当工作气体处于湍流状态时等离子体射流的传播特性也会发生本质变化。在第四章,通过求解二维等离子体流体动力学方程,中性气体流体动力学方程并耦合k-ε湍流方程,对湍流状态下中性气体的流动过程及大气压低温等离子体射流产生和传播过程进行了的模拟研究。模拟结果显示,在湍流状态,随着射流的传播,等离子体射流的环形中空结构逐渐消失,并且在离开管口一段距离后无规则起伏,出现所谓的“蛇形传播状态。与层流相比,射流长度缩短,产生的活性粒子密度减低。随着气体流速的增加,射流传播距离趋于减少,且射流不稳定状态的出现位置与介质管的距离缩短。不同电压下的模拟结果显示,射流传播长度随着电压的增大明显增加,但电压的增大也使等离子体射流变得更加不稳定,轴向和径向起伏都更加严重,放电的径向扩展也更明显。