大气压低温等离子体射流器件层流特性的模拟分析

1、大气压低温等离子体射流器件层流特性的模拟分析 APPJ 的应用领域非常广泛，研究者们对其开展了大量的实验研究。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。Karaka

2、s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，与实验结果开展比对研究了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，说明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Co

3、msol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、构造模型 图1 射流器件的几何构造及网格划分示意图 本文所建立的二维轴对

4、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 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，结果说明: (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，说明三种气体中，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) 的作用也不可忽略，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