大氣壓輝光放電與等離子體射流的模擬研究.pdf

1、近年來(lái)，大氣壓低溫等離子體在生物醫(yī)學(xué)、材料表面改性、納米技術(shù)及污染治理等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其中脈沖射頻輝光放電和脈沖直流等離子體射流由于具有活性高和氣體溫度低的優(yōu)點(diǎn)而得到了重點(diǎn)關(guān)注。和傳統(tǒng)的低氣壓射頻輝光放電相比，大氣壓脈沖射頻輝光放電可以直接在兩極板之間獲得，不受真空放電腔體的限制，大大節(jié)約了成本，同時(shí)具有良好的化學(xué)特性；大氣壓脈沖直流等離子體射流可以在外界空氣中產(chǎn)生而不受放電腔室的限制，因此可以處理具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的三維目標(biāo)，同時(shí)化學(xué)活

2、性強(qiáng)，氣體溫度低至即使和人體直接接觸也不會(huì)有灼熱感和電擊感。然而上述兩種放電形式包含的等離子體物理化學(xué)過(guò)程異常復(fù)雜，因此需要對(duì)其進(jìn)行深入研究。本文中我們采用一維和二維自洽的流體力學(xué)模型，通過(guò)耦合連續(xù)性方程和泊松方程，分別對(duì)大氣壓脈沖射頻輝光放電和脈沖直流等離子體射流進(jìn)行數(shù)值模擬，以揭示其背后的物理機(jī)制。本研究主要內(nèi)容包括：
　　⑴脈沖射頻輝光放電上升沿中的放電模式轉(zhuǎn)換與O(5p1)粒子的產(chǎn)生機(jī)制。放電初始階段，輻射均勻分布在兩個(gè)電

3、極之間。隨著外加電壓逐漸升高，輻射開(kāi)始向陰極鞘層附近移動(dòng)，放電模式從均勻放電逐漸過(guò)渡到α模式。電壓升高過(guò)程中不斷擴(kuò)張的鞘層使隨機(jī)加熱的能量快速增加，從而導(dǎo)致了放電模式的轉(zhuǎn)換。通過(guò)對(duì)比777 nm輻射空間分布的實(shí)驗(yàn)及仿真結(jié)果，確定He*和He2*分解并激發(fā)O2的反應(yīng)是最主要的O(5p1)產(chǎn)生機(jī)制。因?yàn)閬喎€(wěn)態(tài)粒子不受電場(chǎng)影響，777 nm輻射的分布也不受鞘層影響。脈沖射頻輝光放電相比等離子體射流產(chǎn)生高濃度活性粒子的區(qū)域更大，因此其殺菌效率也

4、更高。
　?、频入x子體射流推進(jìn)機(jī)理的研究。放電過(guò)程中，因?yàn)殡娮拥倪w移率遠(yuǎn)大于離子，因此玻璃管內(nèi)壁附近會(huì)形成等離子體鞘層。在鞘層的作用下，管內(nèi)的等離子體被徑向壓縮到玻璃管中央的狹小空間內(nèi)。射流推進(jìn)到管外時(shí)，在管口處的強(qiáng)電場(chǎng)和氣流混合區(qū)域的共同作用下，形成了環(huán)狀結(jié)構(gòu)。射流頭部可以看作是一個(gè)帶電球體，絕大部分的電離都發(fā)生在這個(gè)球體內(nèi)，使放電由電子崩向流注轉(zhuǎn)變。射流頭部的電離相當(dāng)于延長(zhǎng)了導(dǎo)電通道，將強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域推向前方，射流在這個(gè)過(guò)程中不斷

5、前進(jìn)。彭寧電離是管外重要的電離機(jī)制，電離產(chǎn)生的電子提高了等離子體導(dǎo)電通道的電導(dǎo)率，從而促進(jìn)了射流的傳播。
　　⑶工作氣體純度對(duì)等離子體射流影響的研究。工作氣體選用純度分別為99.99999％（高純度）、99.99%、99.9%和99%的氦氣，雜質(zhì)氣體為空氣。研究發(fā)現(xiàn)，雜質(zhì)氣體的引入顯著提高了管內(nèi)活性粒子的密度，而管外的活性粒子密度則提升有限?？諝庵械墓怆婋x在局部放電向流注轉(zhuǎn)化的過(guò)程中起到了關(guān)鍵作用，高純度氦氣情況下，光電離不能提供

6、足夠的種子電子，管內(nèi)放電無(wú)法形成射流。這主要是因?yàn)檫^(guò)低的光電離反應(yīng)率以及光電離和電離發(fā)生區(qū)域之間過(guò)長(zhǎng)的距離阻礙了射流的形成，通過(guò)提高外加電壓和縮短電極與管口之間的距離可以克服這一缺點(diǎn)。同時(shí)，光電離還能提高射流的推進(jìn)速度。
　?、鹊入x子體射流中OH的產(chǎn)生機(jī)理研究。仿真模型計(jì)算得到的OH密度與實(shí)驗(yàn)激光誘導(dǎo)熒光（LIF）測(cè)量結(jié)果一致。通過(guò)分析所有OH參與的反應(yīng)發(fā)現(xiàn)，電子碰撞分解水分子、電子和水離子的復(fù)合以及O(1D)碰撞分解水分子的反應(yīng)

7、是生成OH的最主要途徑；OH和H復(fù)合的三體反應(yīng)則是消耗OH的最主要途徑。工作氣體中分別引入少量的氮?dú)?、氧氣和空氣后，管外的彭寧電離增強(qiáng)，電子密度增加，因此使管外OH密度也相應(yīng)增加。工作氣體中水蒸氣含量的增加可以顯著提高管內(nèi)射流中的OH密度，但對(duì)管外OH密度的提升作用有限，這是因?yàn)闅饬魍七M(jìn)到管外時(shí)和周圍空氣進(jìn)行擴(kuò)散導(dǎo)致的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中管外 OH密度隨水蒸氣含量增加而升高的主要原因是 OH粒子被氣流帶出管外，實(shí)質(zhì)上也是管內(nèi) OH密度增加的結(jié)果