大气压空气等离子体射流装置的仿真、设计和实验研究

论文摘要

本文通过仿真和实验两个方面对大气压空气等离子体射流（空气APPJ）装置及其流体和放电特性进行研究,首先通过电场仿真得到APPJ枪的最佳电极参数,然后设计并制备了两种APPJ装置,利用高压交流电源激励成功产生了大气压空气等离子体射流,并通过实验研究其放电特性。主要研究内容归纳如下:（1）仿真部分,包括静电场仿真和气流场仿真。首先是静电场仿真,在COMSOL Multiphysics仿真软件中建立针-金属喷嘴结构和针-环结构的二维轴对称模型,发现二者的电势和电场分布类似,但前者产生的最大电场强度明显大于后者。此外,还建立了预电离双高压电极结构的仿真模型并模拟了其电场分布。随后,基于针-金属喷嘴结构,研究针尖曲率半径、电极间距以及针电极直径等参数对电势和电场的空间分布的影响,发现针尖曲率半径对于场强最大值有较大影响。然后是气流场仿真,主要针对Ar为工作气体。根据雷诺数的大小分为层流和湍流两个模块,分析和比较两种流动状态下气流速度分布和Ar摩尔分布。发现层流时速度分布和摩尔分布相似,随着流速增大轴向摩尔分数占总摩尔分数的比值增大;湍流时速度分布和摩尔分布则有显著差异,射流前段的速度分布呈发散状,而摩尔分布则更集中,流线图表明这是空气卷吸进入Ar气流的结果。接着本文模拟了不同喷口直径对APPJ特性的影响。（2）实验部分,分别是针-金属喷嘴结构和预电离DBD结构的射流放电实验。首先利用高频高压AC电源激励针-金属喷嘴结构的等离子体枪产生大气压低温等离子体射流,产生APPJ的工作气体包括空气、N2和Ar,其中N2和Ar射流用来和空气射流作比较,包括射流长度、气体温度、放电电压等特性的比较。发现氮气和空气射流的各项参数较为接近,Ar射流的放电电压和功率远低于空气射流,同时其尺寸也较小。此后,分别改变调压器输出电压和空气体积流量,研究这两个变量对于射流气体温度、放电功率等特性的影响。此后,将预电离双高压电极结构APPJ装置用于空气、氮气和氩气放电。结果表明,该装置能够击穿空气产生等离子体,但是放电强度较低,产生等离子体的体积也较小,基本上局限在介质管中。该装置利用N2和Ar放电时,都能产生气体温度为室温、长度较长的APPJ,与针-金属喷嘴结构相比,发现针-金属喷嘴结构更适用于氮气和空气放电,而DBD则适用于击穿电压更低的惰性气体放电,这一结论对应了前文中电场仿真的结果。本文的研究内容为大气压空气等离子体射流装置的设计、参数优化提供了理论和技术支撑,对促进等离子体射流的发展具有一定的意义。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李文浩

导师: 方应翠

关键词: 大气压等离子体射流,气体放电,空气等离子体,数值仿真,放电特性

来源: 合肥工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 合肥工业大学

分类号: O53

DOI: 10.27101/d.cnki.ghfgu.2019.000174

总页数: 76

文件大小: 5337K

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