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介质球排列方式对填充床介质阻挡放电影响的模拟研究

介质球排列方式对填充床介质阻挡放电影响的模拟研究

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作者：熊润祥武汉理工大学

学位级别：硕士

等离子体催化在环境问题上有着广泛的应用。在放电的过程之中,电子与背景气体的碰撞(包括电离,激发,复合,离解,附着以及离解附着)将气体转变成了由多种离子,活性原子,分子和自由基组成的混合物。所产生的离子除了可以通过高能量轰击影... 详细信息

等离子体催化在环境问题上有着广泛的应用。在放电的过程之中,电子与背景气体的碰撞(包括电离,激发,复合,离解,附着以及离解附着)将气体转变成了由多种离子,活性原子,分子和自由基组成的混合物。所产生的离子除了可以通过高能量轰击影响基板或者反应器壁的表面化学过程外,还可以通过电子-离子、离子-离子的碰撞反应来促进化学反应。而将等离子体与催化剂相结合可以进一步促进反应的进行。因此,等离子体催化由于其在环境中的重要应用而日益受到关注。本文采用二维粒子云/蒙特卡罗碰撞模型,研究了大气压氮气中填充床介质阻挡放电(Packed-Bed Dielectric Barrier Discharge,PB-DBD)中五种不同介质球组合方式与等离子体行为的关系。我们计算了不同介质球组合方式在放电中的电子密度、电场、激发率和电离率。结果发现,无论是改变介质球的大小,还是去掉一个介质球,都可以改变等离子体形成和流注传播的明显特征。介质球和极板上介质层附近的电场增强,导致介质表面的切向分量很大,从而产生表面电离波(Surface Ionization Waves,SIWs)。我们发现在去除介质球2后会产生一个反流注,去除介质球4时会形成体放电,且去除介质球4时产生不对称表面电离波,而去除介质球5时且增大介质球4时表面电离波几乎对称。此外,表面电离波和带正电流会产生最高的等离子体浓度,这是由于介质球表面的电离率最大。此外,我们还研究了在不同驱动电压,不同介质球直径和N/O混合气体下PB-DBD反应器中丝状放电的形成和模式转换。随着驱动电压的增加,表面放电逐渐占放电的主导地位。表面电离波反过来在介质球的表面产生高浓度的反应粒子,这将影响等离子体催化的化学反应(和能源效率)。通过对比不同直径的介质球放电情况可以发现,虽然随着放电的进行,放电会逐渐由表面放电主导,但是表面放电的强度也受到了体放电强度的影响。这些间隙的大小也会影响到了反流注的产生。通过改变N/O混合气体组分发现表面电离波在N气体中的传播速度更快,而随着O含量的增加,传播速度变慢,这是因为在电负性气体中由于O分子的附着过程失去电子而导致的放电演化更慢。这种趋势也可以从N和O气体的电离率的显著差异中理解,这些不同的电离率将在介质球表面产生不同数量的电子和离子,这可能会对等离子体催化产生影响。

关键词：等离子体催化介质填充床阻挡放电粒子云/蒙特卡罗碰撞方法

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