基于多场耦合的大气压冷等离子体射流数值模拟研究

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作为上世纪90年代发展起来的一种大气压低温等离子体放电技术,大气压冷等离子体射流以其低温特点和良好的可控性,受到了学术界和工业界的广泛关注,在材料加工制造、表面改性、等离子体医学、环境工程、等离子体化工等领域都表现出了独特的技术优势和良好的应用前景。为了实际大规模工业应用,需要产生大面积均匀的等离子体射流,由于单一射流源尺度拓展形成的大尺寸射流源稳定性较差,一般通过组合单个等离子体射流形成阵列。这就产生了等离子体射流各通道之间如何通过相互作用实现更好的均匀性的问题。因此,本文从单通道等离子体射流入手,进一步拓展到双通道等离子体射流,研究等离子体射流之间的相互作用。本文采用二维非稳态多物理场耦合模型,计算各种粒子连续性方程(即物质守恒)、电子能量方程、气体动量方程、气体能量方程、Poisson方程等来模拟等离子体射流的产生和发展过程,并解析各物理量的时空演化特性。从单通道等离子体射流入手,研究等离子体射流演化的关键影响因素。考虑等离子体性质的稳定性,实际应用一般采用大气压氦气放电;其中氦气实际压强略高于外部空气气压,以保证在对外部空气开放的条件下有足够大的氦气放电区不受外部空气成分(特别是氧成分)影响。数值模拟结果表明,在氦气与空气之间的交界过渡区域中,由于Penning效应和光电离效应,会产生大量的电子,形成环状中空的等离子体射流。为了结合实际应用,研究下游工作区各粒子分布的均匀性,尤其是对于实际应用有重要意义的粒子(如氧原子)均匀性。在此基础上,进一步研究了双通道等离子体射流间相互作用(包括:库仑作用、流场作用、光电离效应等)。在双通道等离子体射流之间通入氦气/空气时,发现在通入空气量少的情况下,可以使两个通道弥合;但在只通入氦气的情况下,Penning效应和光电离效应会减弱,导致等离子体密度的降低。通过下游粒子分布可以看出双通道等离子体射流并不是简单的两个通道叠加,而是存在相互作用。
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