大气压低温等离子体射流器件层流特性的模拟研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)东南大学电子科学与工程学院 作者:占建英

  为分析大气压低温等离子体射流的特性,本文建立射流器件二维轴对称模型,利用Comsol 软件对层流状态下等离子体射流的连续性方程、N-S 方程和对流扩散方程进行耦合求解,分析了不同气体流速、喷口直径及工作气体条件下,喷射气流在空气中的轴向( z) 和径向( r) 摩尔分数分布,并研究了流速、喷口直径和工作气体对射流特性的影响。模拟结果表明,在层流状态下,可以用He 与空气混合的摩尔分数为0. 99 时的轴向传播长度去估测射流传播的长度,该长度与入射气体流速、喷口直径的平方呈线性关系,即与气体体积流量呈正比,模拟结果与文献中实验结果一致; 相同条件下,He、Ne、Ar 三种工作气体在轴向上的摩尔分数分布依次增大,它们与空气混合的摩尔分数为0. 99 时的轴向传播长度依次增加,可推测同等条件下Ar 气的射流长度最长。

  大气压等离子体射流( atmospheric pressure plasma jet,APPJ) 是近年来兴起的一种新型的低温等离子体产生技术,是目前国际上等离子体放电科学领域的研究热点之一。APPJ 因具有无需真空系统、操作简单,可控性好,设备投资少,低温,产生的活性粒子平均浓度高等优点,在材料表面处理与生物医学等领域得到了广泛的应用。

  APPJ 的应用领域非常广泛,研究者们对其进行了大量的实验研究。但目前等离子体射流产生和传播的物理机制仍不是非常明确,且诊断测量具有一定的困难,实验得到的数据又不能全面描述其特性,故需要通过数值模拟来帮助我们系统地研究APPJ的特性。近年来,国内外一些研究者开展了相关的研究。文献采用格子Boltzmann 方法数值模拟了不同气体氛围下的等离子体射流。Sakiyama 在层流状态下耦合求解了流体动力学模型与一维流体放电模型,首先采用二维圆柱坐标求解出He 气流在空气中的对流和扩散,然后在等离子体传播的截面上用一维流体模型求解等离子体放电。Karakas采用Comsol 软件求解了层流下的流体方程与混合气体对流扩散方程,与实验结果进行比对研究了He 的摩尔分数和等离子体流注传输的关系。

  Naidis研究了二维模型的大气压He 等离子体射流器件中正流注的传播。邵先军等利用Jets&Poudres 软件耦合求解连续性方程、N-S 方程和混合气体的组份输运方程等,数值仿真了Ar 气流在空气中的流速与摩尔分数分布。并且邵先军等还通过实验证明了He 和Ar APPJ 是由不同的放电机制产生的,表明APPJ 的特性与工作气体的种类有关。目前国内外对APPJ 的实验研究很多,但对APPJ 的数值模拟研究相对较少。

  本文建立射流器件二维轴对称模型,通过Comsol耦合求解层流状态下等离子体射流的连续性方程、N-S 方程及对流扩散方程,分析大气压空气环境中喷射气流在z 轴和r 轴上的摩尔分数分布,着重分析对等离子体射流传播影响较大的z 轴方向上的摩尔分数分布,与不同气体组分汤生放电系数的差异相结合分析研究气体流速、喷口直径和工作气体对射流特性的影响。

1、模拟研究

1.1、模型假设

  (1) 假设模型处于稳定的层流状态; ( 2) 假设等离子体在大气环境下形成自由射流,不考虑等离子体与大气中其它成分的化学反应,且忽略等离子体电磁作用力、质量力、体积力等次要因素的影响。

1.2、结构模型

射流器件的几何结构及网格划分示意图

图1 射流器件的几何结构及网格划分示意图

  本文所建立的二维轴对称的几何模型如图1所示,模型尺寸为AB = CD = 50 mm,BC = AD = 100mm,EHGF 为介质管壁,管壁厚GH = 1. 5 mm,在本文的所有研究中除研究喷口直径对射流特性的影响外,其余喷射入口半径AE 均为1. 5 mm。

表1 计算区域的边界条件

计算区域的边界条件

3、结论与展望

  本文建立了射流器件二维轴对称模型,耦合求解了层流状态下等离子体射流的连续性方程、N-S方程及对流扩散方程,研究了层流模式下不同气体流速、喷口直径和工作气体下,喷射气流的摩尔分数的分布并分析了其对射流特性的影响,结果表明:

  (1) 当流动处于层流状态时,随着流速的增加,轴向He 摩尔分数分量逐渐增大,射流长度为He 摩尔分数值为0. 99 时对应的轴向距离。随着流速的增加,射流长度变长,且射流长度和流速呈线性关系,和实验结果一致;

  (2) 随着喷口直径的增大,沿对称轴的He 摩尔分数逐渐增大,射流轴向长度正比于气体的体积流量;

  (3) 在相同条件下,He,Ne,Ar 沿对称轴的摩尔分数依次逐渐增大,表明三种气体中,Ar 最有利于等离子体射流的传播,即在相同条件下,Ar 产生的等离子体射流的长度应最长。

  本文的工作主要基于层流模式下喷射工作气体的摩尔分布来展开,但外加电场( 特别是外加电压的频率、峰值、占空比) 的作用也不可忽视,它和气流分布是如何相互耦合共同决定等离子体射流的传播的仍不是非常清楚。在未来的工作中希望在上述研究结果的基础上,进一步研究二维轴对称等离子体射流的等离子体流注放电产生和传播的过程,从而更好地掌握等离子体射流的物理特性。

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