介质阻挡放电N2等离子体一维流体模型反应速率系数计算的比较研究

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介质阻挡放电可以在不同的放电条件下产生相对稳定和均匀的非热平衡放电等离子体,因而具有广泛的工业化应用前景。与传统的交流正弦电源相比,使用脉冲电源作为激励,放电能量传输效率高,放电电流密度大,产生的活性粒子浓度高且更为稳定和均匀。因此,大气压脉冲介质阻挡放电已成为近年来气体放电等离子体领域的研究热点。然而,受限于实验条件,一些放电微观现象很难在实验中观察到,因此数值仿真是研究气体放电等离子体特性及机理的一个有效方法。其中,对于大气压低温等离子体,流体模型由于计算方便快速,并兼顾了高的计算精度,因而已得到广泛应用。  使用流体模型对气体放电进行数值模拟,严格可靠的反应速率系数一直是研究者们的努力追求。对于反应速率系数的理论计算,在已知放电中各反应的碰撞截面的基础上,电子能量分布的选取十分重要。目前,一般假设电子的能量服从麦克斯韦分布。然而,对于大气压介质阻挡放电,气体电子通常处于非平衡状态,此时上述假设可能给流体模拟结果带来较大误差。为此,对于大气压脉冲介质阻挡放电的一维流体模型模拟,本文分别使用麦克斯韦分布和玻尔兹曼方程描述电子的能量分布,比较研究这两种分布对模拟的影响。模拟包括放电中电子、离子和亚稳态粒子密度的空间分布以及空间场等放电特征量的计算。本文使用两项近似的方法求解玻尔兹曼方程来计算电子的能量分布,并由此计算反应速率系数。论文的研究工作,主要包含以下方面的内容和结果:  1.本文建立了大气压介质阻挡放电等离子体的一维流体模型,并使用Scharfetter-Gummel算法对其进行数值求解。使用Fortran编程软件对大气压介质阻挡放电进行仿真模拟;  2.利用开放软件BOLSIG+,使用两项近似的方法在六维相空间和速度空间对玻尔兹曼方程进行求解,获得适用于非热平衡等离子体的电子能量分布函数和相应的电子反应速率系数,并与使用麦克斯韦电子能量函数获得的结果作了比较。结果表明,在大气压环境下,玻尔兹曼分布函数和麦克斯韦分布函数有较明显的差异;与氮气电子能量分布的实验结果比较,玻尔兹曼分布函数更接近实验事实,这表明本文使用的二项近似法求解玻尔兹曼分布函数的有效性,同时也表明玻尔兹曼分布函数更适合非平衡态大气压氮气介质阻挡放电的模拟。  3.分别将玻尔兹曼电子能量分布函数和麦克斯韦电子能量分布函数计算的反应速率系数引入流体模型,系统地比较研究了两种方法计算的速率系数下,大气压介质阻挡放电的放电电流、放电电压、各粒子密度和电子温度等特征变量。研究表明,电子能量分布函数的选取对以上特征变量的计算有较为明显的影响。两种分布下计算的放电均属于典型的汤生放电,但基于玻尔兹曼分布下计算的粒子密度均高于麦克斯韦分布下的计算结果,平均电子能量比麦克斯韦分布下的要低。
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