36664.大氣壓氦氣冷等離子體射流的流體力學(xué)模擬

1、博士學(xué)位論文大氣壓氦氣冷等離子體射流的流體力學(xué)模擬Fluidmodelingofcoldatmosphericpressureplasmajetinhelium作者姓名：劉富成學(xué)號：10902031指導(dǎo)教師：王德真教授完成日期：20134大連理工大學(xué)DalianUniversityofTechnology大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文摘要近年來，大氣壓冷等離子體射流由于其獨(dú)特的優(yōu)勢和廣泛的應(yīng)用前景而受到人們格外的關(guān)注。和傳統(tǒng)的大氣壓非平衡等離

2、子體源相比，大氣壓冷等離子體射流最大的優(yōu)勢就是能夠?qū)⒌入x子體產(chǎn)生區(qū)域和工作區(qū)域在空間中分離開來，在保持放電穩(wěn)定性的同時(shí)，還能保持較強(qiáng)的等離子體化學(xué)活性。盡管大氣壓冷等離子體射流目前已被廣泛應(yīng)用于材料加工和表面改性以及等離子體醫(yī)學(xué)等各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，但是一些根本性的問題還沒有得到很好的解決。因此，需要對其作進(jìn)一步深入研究。在本論文中，主要開展了以下工作：建立了一個(gè)15維等離子體流體力學(xué)模型，數(shù)值研究了針板型放電結(jié)構(gòu)下等離子體射流子彈的產(chǎn)生、傳

3、播以及熄滅過程；結(jié)果表明：等離子體子彈的傳播機(jī)制是一種類似于流注的電離波的傳播。在其傳播過程中，電子的碰撞電離是最主要的電離機(jī)制，而潘寧電離可以為其傳播提供足夠的種子電子。驅(qū)動電壓的極性決定了等離子體射流的動力學(xué)行為，在正脈沖電壓驅(qū)動下，等離子體子彈頭部內(nèi)存在一個(gè)具有高斯型分布的凈電荷區(qū)域，空間電荷在該區(qū)域內(nèi)激發(fā)強(qiáng)電場，電離劇烈，發(fā)光比較強(qiáng)。等離子體子彈的傳播速度與最大空間電場的變化規(guī)律一致，都是首先增加，達(dá)到最大值后開始下降。而在負(fù)脈

4、沖驅(qū)動下，等離子體射流中沒有準(zhǔn)中性區(qū)域的存在，且在陰極附近存在著一個(gè)非常窄的陰極位降區(qū)。電場在整個(gè)射流范圍內(nèi)均比較高，電離也都比較強(qiáng)，沒有類似等離子體子彈的結(jié)構(gòu)存在。另外，等離子體射流的傳播速度比正脈沖射流的傳播速度低，且隨時(shí)間不斷減小。研究了環(huán)境空氣對氦氣冷等離子體射流放電性質(zhì)的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)由于氧的附著效應(yīng)使得等離子體射流中的電子密度降低了。氦亞穩(wěn)態(tài)原子與空氣之間的潘寧電離作用促進(jìn)了電離反應(yīng)，加快了射流的傳播速度。在不考慮空氣擴(kuò)散效

5、應(yīng)的情況下，當(dāng)空氣含量小于1％時(shí)，等離子體射流的最大傳播速度隨著空氣含量的增加而增大；而當(dāng)空氣含量大于1％時(shí)，隨著通道內(nèi)空氣的增多，射流的傳播速度將不斷地降低。等離子體射流的長度隨著空氣含量的增加不斷減小。考慮了空氣擴(kuò)散的作用，利用一維徑向流體力學(xué)模型研究了等離子體子彈橫截面上環(huán)形結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理。結(jié)果表明由于氣體成分的不均勻空間分子造成的電子直接碰撞電離變化是環(huán)狀結(jié)構(gòu)形成的根本原因。基于一維等離子體流體力學(xué)模型，研究了氣流對平板型等離子