大氣壓介質(zhì)阻擋放電物理過(guò)程的數(shù)值模擬.pdf

1、大氣壓介質(zhì)阻擋放電裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要昂貴復(fù)雜的真空系統(tǒng)，能在大范圍功率下工作，具有廣泛的開發(fā)和應(yīng)用前景。作為大氣壓條件下獲得非平衡態(tài)等離子體的主要手段，介質(zhì)阻擋放電近年來(lái)在實(shí)驗(yàn)和理論上都得到廣泛的重視和研究。但是由于等離子體中的帶電粒子、中性原子分子和活性基團(tuán)的物理化學(xué)過(guò)程十分復(fù)雜，同時(shí)許多在低氣壓的診斷方法在大氣壓條件下失效造成診斷手段的缺失，許多放電基本特征參數(shù)無(wú)法從實(shí)驗(yàn)測(cè)量中獲得，使得當(dāng)前對(duì)大氣壓介質(zhì)阻擋放電的物理過(guò)程認(rèn)識(shí)還未清

2、楚。因此，對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬成為了研究和認(rèn)識(shí)大氣壓介質(zhì)阻擋放電過(guò)程的主要手段。 本文采用二維流體模型對(duì)大氣壓條件下平行板結(jié)構(gòu)介質(zhì)阻擋空氣放電進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究大氣壓介質(zhì)阻擋放電形成和發(fā)展的物理過(guò)程。對(duì)于模型的質(zhì)量連續(xù)方程和耦合電場(chǎng)泊松方程分別采用有限差分—流體通量修正方法(FD—FCT)和切比雪夫加速(Shebyshevacceleration)超松弛迭代方法(SOR)進(jìn)行求解。 通過(guò)比較不同初始條件下的

3、電子密度分布演化、電場(chǎng)分布演化、放電電流以及放電過(guò)程的傳播速度的變化，得出結(jié)論如下： 放電過(guò)程可以劃分為四個(gè)階段：(1)、電子雪崩過(guò)程，(2)、流注形成，(3)、流注傳播過(guò)程，(4)、放電熄滅消退。 在雪崩過(guò)程初始階段，電子數(shù)量不斷增大，雪崩輪廓呈楔形，可見(jiàn)雪崩半徑正比于軸向距離z。當(dāng)橫向雪崩尺度達(dá)到特征電離長(zhǎng)度1/α≈0.1cm時(shí)，由于排斥漂移，徑向電子雪崩快于電子擴(kuò)散效應(yīng)，雪崩頭部展寬速度驟減，隨后的雪崩的發(fā)展中雪崩

4、輪廓尺寸沒(méi)有明顯變化。 當(dāng)陽(yáng)極附近荷電粒子密度和電場(chǎng)滿足流注形成Meek擊穿條件時(shí)，陽(yáng)極附近局部本征電場(chǎng)向陰極返回，流注形成并開始向陰極傳播。此后在流注頭部局部區(qū)域中本征電場(chǎng)不斷變大，氣體電離不斷增強(qiáng)，空間電子密度變大，向陰極運(yùn)動(dòng)速度不斷增大，即進(jìn)入流注傳播過(guò)程。 在流注傳播過(guò)程中，流注頭部空間電荷的累積使空間電場(chǎng)變得更大，使得電離率顯著增大，另外還產(chǎn)生激發(fā)態(tài)粒子釋放出光子，發(fā)生光電離。碰撞電離和光電離產(chǎn)生大量二次電子，

5、出現(xiàn)二次電子雪崩，空間電子密度急劇增大，產(chǎn)生指向陰極的電離波。 流注傳播過(guò)程結(jié)束后，接下來(lái)的數(shù)微秒內(nèi)那些大質(zhì)量慢速度的離子滯留在放電間隙空間中。放電時(shí)導(dǎo)電通道里的電子沉積在陽(yáng)極上，電荷累積形成與外電場(chǎng)反向的電場(chǎng)。通道中的電場(chǎng)強(qiáng)度被削弱，在外電場(chǎng)反向前新的雪崩和流注不能生成，放電進(jìn)入熄滅消退階段。 需要指出的是：光電離項(xiàng)Sph對(duì)放電影響很大，特別是在流注傳播后期對(duì)流注傳播速度有加速作用。在采用數(shù)值模擬過(guò)程中，光電離效應(yīng)是不