【摘要】：本文通過仿真和實驗兩個方面對大氣壓空氣等離子體射流(空氣APPJ)裝置及其流體和放電特性進(jìn)行研究,首先通過電場仿真得到APPJ槍的最佳電極參數(shù),然后設(shè)計并制備了兩種APPJ裝置,利用高壓交流電源激勵成功產(chǎn)生了大氣壓空氣等離子體射流,并通過實驗研究其放電特性。主要研究內(nèi)容歸納如下:(1)仿真部分,包括靜電場仿真和氣流場仿真。首先是靜電場仿真,在COMSOL Multiphysics仿真軟件中建立針-金屬噴嘴結(jié)構(gòu)和針-環(huán)結(jié)構(gòu)的二維軸對稱模型,發(fā)現(xiàn)二者的電勢和電場分布類似,但前者產(chǎn)生的最大電場強(qiáng)度明顯大于后者。此外,還建立了預(yù)電離雙高壓電極結(jié)構(gòu)的仿真模型并模擬了其電場分布。隨后,基于針-金屬噴嘴結(jié)構(gòu),研究針尖曲率半徑、電極間距以及針電極直徑等參數(shù)對電勢和電場的空間分布的影響,發(fā)現(xiàn)針尖曲率半徑對于場強(qiáng)最大值有較大影響。然后是氣流場仿真,主要針對Ar為工作氣體。根據(jù)雷諾數(shù)的大小分為層流和湍流兩個模塊,分析和比較兩種流動狀態(tài)下氣流速度分布和Ar摩爾分布。發(fā)現(xiàn)層流時速度分布和摩爾分布相似,隨著流速增大軸向摩爾分?jǐn)?shù)占總摩爾分?jǐn)?shù)的比值增大;湍流時速度分布和摩爾分布則有顯著差異,射流前段的速度分布呈發(fā)散狀,而摩爾分布則更集中,流線圖表明這是空氣卷吸進(jìn)入Ar氣流的結(jié)果。接著本文模擬了不同噴口直徑對APPJ特性的影響。(2)實驗部分,分別是針-金屬噴嘴結(jié)構(gòu)和預(yù)電離DBD結(jié)構(gòu)的射流放電實驗。首先利用高頻高壓AC電源激勵針-金屬噴嘴結(jié)構(gòu)的等離子體槍產(chǎn)生大氣壓低溫等離子體射流,產(chǎn)生APPJ的工作氣體包括空氣、N_2和Ar,其中N_2和Ar射流用來和空氣射流作比較,包括射流長度、氣體溫度、放電電壓等特性的比較。發(fā)現(xiàn)氮?dú)夂涂諝馍淞鞯母黜梾?shù)較為接近,Ar射流的放電電壓和功率遠(yuǎn)低于空氣射流,同時其尺寸也較小。此后,分別改變調(diào)壓器輸出電壓和空氣體積流量,研究這兩個變量對于射流氣體溫度、放電功率等特性的影響。此后,將預(yù)電離雙高壓電極結(jié)構(gòu)APPJ裝置用于空氣、氮?dú)夂蜌鍤夥烹姟＝Y(jié)果表明,該裝置能夠擊穿空氣產(chǎn)生等離子體,但是放電強(qiáng)度較低,產(chǎn)生等離子體的體積也較小,基本上局限在介質(zhì)管中。該裝置利用N_2和Ar放電時,都能產(chǎn)生氣體溫度為室溫、長度較長的APPJ,與針-金屬噴嘴結(jié)構(gòu)相比,發(fā)現(xiàn)針-金屬噴嘴結(jié)構(gòu)更適用于氮?dú)夂涂諝夥烹?而DBD則適用于擊穿電壓更低的惰性氣體放電,這一結(jié)論對應(yīng)了前文中電場仿真的結(jié)果。本文的研究內(nèi)容為大氣壓空氣等離子體射流裝置的設(shè)計、參數(shù)優(yōu)化提供了理論和技術(shù)支撐,對促進(jìn)等離子體射流的發(fā)展具有一定的意義。
【學(xué)位授予單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：O53
【圖文】：

1.1 大氣壓等離子體的產(chǎn)生等離子體和氣體、液體以及固體一樣，是物質(zhì)的一種聚集狀態(tài)，被稱為物質(zhì)的第四態(tài)。如果將氣體溫度提高，使得氣體分子的熱運(yùn)動動能接近它的電離能時，只通過碰撞作用就可以使得很多分子電離。原來由原子或分子組成的中性氣體，會變成由帶負(fù)電的電子和帶正電的離子，可能還有部分中性的分子和原子組成的物質(zhì)狀態(tài)，這就是等離子體態(tài)。等離子體可以通過輝光放電和火花放電產(chǎn)生，同時也在自然界中廣泛存在，極光、閃電等即為地球上出現(xiàn)的天然等離子體。大氣壓等離子體，顧名思義即為大氣壓下產(chǎn)生的等離子體，一般是由氣體放電產(chǎn)生[1]。通過某個過程，使得一個或多個電子擺脫氣體原子或分子，形成的氣態(tài)物質(zhì)稱為電離氣體。電離氣體中含有多種成分，包括中性原子或分子以及離子、電子等。如果在放電空間的外部提供電場，使氣體電離并伴隨著傳導(dǎo)電流，則把這種現(xiàn)象稱為氣體放電。大氣壓氣體放電的形式包括很多種，一般有電暈放電、輝光放電、湯森放電、電弧放電和火花放電以及介質(zhì)阻擋放電等，不同放電形式需要不同的環(huán)境，產(chǎn)生具有不同特性的等離子體。圖 1.1 為氣體放電的伏安特性曲線，下面根據(jù)圖 1.1 對這幾種放電形式做簡要的說明：

2 兩種典型的針電極 APPJ 裝置示意圖，（a）實心針電極；（b）毛細(xì)管針電極chematic diagram of two typical needle electrode APPJ devices, (a) solid needle el(b) capillary needle electrode

4典型的針-環(huán)電極 APPJ 裝置示意圖，（a）單介質(zhì)阻擋；（b）雙matic diagram of two typical pin-ring electrode APPJ devices, (a) singbarrier; (b) double dielectric barrier擋結(jié)構(gòu)中，若將實心的高壓針電極換為空心針，則稱為時作為射流裝置的高壓電極和進(jìn)氣口。近幾年，Akhlag結(jié)構(gòu)的冷氦氣 APPJ 裝置[52]，并將其用于處理最具攻擊胞，取得了良好效果。此外，Ohashi 等人[53]在雙介質(zhì)阻擋結(jié)

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本文編號：2755491