同轴双通道进气的大气压低温等离子体射流模拟研究

作     者：李万顺 

作者单位：西华大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张彼德

授予年度：2022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：大气压等离子体射流 同轴双通道 单/双电极 射流长度 电子密度 空间结构 

摘      要：大气压低温等离子体射流突破了真空腔的束缚,能够在开放的环境空间中形成,并具备了气体温度低、活性粒子密度高等优势,是当今等离子体科学与技术领域的科研热点。虽然已有大量关于大气压等离子体射流的研究工作,但射流源作为一个多参数系统,任一参数的改变均会对其产生影响。因此,进一步探索不同参数下大气压等离子体射流的放电特性,以优化和控制射流的产生与传播,对满足射流多样化的应用需求具有重大意义。由于实验诊断手段的不足和数值模拟在参数化研究中的巨大优势,本文采用数值模拟研究了单电极和双电极驱动的同轴双通道进气的大气压氦气等离子体射流在氮气环境中的传播行为,具体内容如下:(1)基于二维轴对称流体模型,建立了中性气体流体动力学模型和等离子体流体动力学模型,并对其控制方程以及边界条件进行了详细地描述,同时简要介绍了模块之间的耦合方法以及求解流程。(2)对单电极驱动的同轴双通道进气的大气压氦气等离子体射流在氮气环境中的传播进行了模拟研究,结果表明:氮气流速(氦气流速恒定)对射流的放电特性具有较大影响。随氮气流速的增加,射流出现了不同程度的分层现象,射流长度先增大后减小,射流径向分布的均匀性也先增加后减小。不同氮气流速下活性粒子的产生和输运不同。He和N(cπ)的峰值密度位于射流头部,He和N则有两个密度较高的区域,而N的空间分布则与电子相似。活性粒子中仅N和N(cπ)表现出分层现象,并最终成为射流中的主要活性粒子。值得注意的是,在较高氮气流速下,出现了潘宁电离高于电子碰撞电离的情况,这意味着此时潘宁电离成为驱动射流传播的主要因素。对电极参数的研究发现,电极边缘曲率半径仅对射流放电起始阶段和射流的分层现象影响显著。曲率半径的增大可以增强射流的分层现象,提高射流径向分布的均匀性,但对远离介质管的射流放电过程几乎没有影响。(3)电极结构对射流的传播有着重要影响。在前期研究的基础上,引入一高压环形电极,形成了双电极驱动的等离子体射流,并与单电极驱动的情况进行了对比分析,研究表明:双电极驱动下电离前沿电场径向收缩并减小,进而引起射流传播速度降低,射流通道径向收缩,且管内尤为严重。同时双电极驱动下射流的空间结构也发生了根本性变化,随射流发展呈现出实心圆盘结构至环形中空结构再至实心圆盘结构的转变过程,这大大改善了射流空间分布的均匀性。对高压环形电极参数的研究发现,随环形电极厚度的增加,射流传播速度降低,射流通道径向收缩,同时处于环形中空结构的射流内径逐渐减小,进一步改善了射流径向分布的均匀性。