大氣壓低溫等離子體射流器件層流特性的模擬研究

　　為分析大氣壓低溫等離子體射流的特性，本文建立射流器件二維軸對(duì)稱模型，利用Comsol 軟件對(duì)層流狀態(tài)下等離子體射流的連續(xù)性方程、N-S 方程和對(duì)流擴(kuò)散方程進(jìn)行耦合求解，分析了不同氣體流速、噴口直徑及工作氣體條件下，噴射氣流在空氣中的軸向( z) 和徑向( r) 摩爾分?jǐn)?shù)分布，并研究了流速、噴口直徑和工作氣體對(duì)射流特性的影響。模擬結(jié)果表明，在層流狀態(tài)下，可以用He 與空氣混合的摩爾分?jǐn)?shù)為0. 99 時(shí)的軸向傳播長度去估測射流傳播的長度，該長度與入射氣體流速、噴口直徑的平方呈線性關(guān)系，即與氣體體積流量呈正比，模擬結(jié)果與文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致; 相同條件下，He、Ne、Ar 三種工作氣體在軸向上的摩爾分?jǐn)?shù)分布依次增大，它們與空氣混合的摩爾分?jǐn)?shù)為0. 99 時(shí)的軸向傳播長度依次增加，可推測同等條件下Ar 氣的射流長度最長。

　　大氣壓等離子體射流( atmospheric pressure plasma jet，APPJ) 是近年來興起的一種新型的低溫等離子體產(chǎn)生技術(shù)，是目前國際上等離子體放電科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。APPJ 因具有無需真空系統(tǒng)、操作簡單，可控性好，設(shè)備投資少，低溫，產(chǎn)生的活性粒子平均濃度高等優(yōu)點(diǎn)，在材料表面處理與生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

　　APPJ 的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，研究者們對(duì)其進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究。但目前等離子體射流產(chǎn)生和傳播的物理機(jī)制仍不是非常明確，且診斷測量具有一定的困難，實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)又不能全面描述其特性，故需要通過數(shù)值模擬來幫助我們系統(tǒng)地研究APPJ的特性。近年來，國內(nèi)外一些研究者開展了相關(guān)的研究。文獻(xiàn)采用格子Boltzmann 方法數(shù)值模擬了不同氣體氛圍下的等離子體射流。Sakiyama 在層流狀態(tài)下耦合求解了流體動(dòng)力學(xué)模型與一維流體放電模型，首先采用二維圓柱坐標(biāo)求解出He 氣流在空氣中的對(duì)流和擴(kuò)散，然后在等離子體傳播的截面上用一維流體模型求解等離子體放電。Karakas采用Comsol 軟件求解了層流下的流體方程與混合氣體對(duì)流擴(kuò)散方程，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)研究了He 的摩爾分?jǐn)?shù)和等離子體流注傳輸?shù)年P(guān)系。

　　Naidis研究了二維模型的大氣壓He 等離子體射流器件中正流注的傳播。邵先軍等利用Jets&Poudres 軟件耦合求解連續(xù)性方程、N-S 方程和混合氣體的組份輸運(yùn)方程等，數(shù)值仿真了Ar 氣流在空氣中的流速與摩爾分?jǐn)?shù)分布。并且邵先軍等還通過實(shí)驗(yàn)證明了He 和Ar APPJ 是由不同的放電機(jī)制產(chǎn)生的，表明APPJ 的特性與工作氣體的種類有關(guān)。目前國內(nèi)外對(duì)APPJ 的實(shí)驗(yàn)研究很多，但對(duì)APPJ 的數(shù)值模擬研究相對(duì)較少。

　　本文建立射流器件二維軸對(duì)稱模型，通過Comsol耦合求解層流狀態(tài)下等離子體射流的連續(xù)性方程、N-S 方程及對(duì)流擴(kuò)散方程，分析大氣壓空氣環(huán)境中噴射氣流在z 軸和r 軸上的摩爾分?jǐn)?shù)分布，著重分析對(duì)等離子體射流傳播影響較大的z 軸方向上的摩爾分?jǐn)?shù)分布，與不同氣體組分湯生放電系數(shù)的差異相結(jié)合分析研究氣體流速、噴口直徑和工作氣體對(duì)射流特性的影響。

1、模擬研究

1.1、模型假設(shè)

　　(1) 假設(shè)模型處于穩(wěn)定的層流狀態(tài); ( 2) 假設(shè)等離子體在大氣環(huán)境下形成自由射流，不考慮等離子體與大氣中其它成分的化學(xué)反應(yīng)，且忽略等離子體電磁作用力、質(zhì)量力、體積力等次要因素的影響。

1.2、結(jié)構(gòu)模型

圖1 射流器件的幾何結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分示意圖

　　本文所建立的二維軸對(duì)稱的幾何模型如圖1所示，模型尺寸為AB = CD = 50 mm，BC = AD = 100mm，EHGF 為介質(zhì)管壁，管壁厚GH = 1. 5 mm，在本文的所有研究中除研究噴口直徑對(duì)射流特性的影響外，其余噴射入口半徑AE 均為1. 5 mm。

表1 計(jì)算區(qū)域的邊界條件

3、結(jié)論與展望

　　本文建立了射流器件二維軸對(duì)稱模型，耦合求解了層流狀態(tài)下等離子體射流的連續(xù)性方程、N-S方程及對(duì)流擴(kuò)散方程，研究了層流模式下不同氣體流速、噴口直徑和工作氣體下，噴射氣流的摩爾分?jǐn)?shù)的分布并分析了其對(duì)射流特性的影響，結(jié)果表明:

　　(1) 當(dāng)流動(dòng)處于層流狀態(tài)時(shí)，隨著流速的增加，軸向He 摩爾分?jǐn)?shù)分量逐漸增大，射流長度為He 摩爾分?jǐn)?shù)值為0. 99 時(shí)對(duì)應(yīng)的軸向距離。隨著流速的增加，射流長度變長，且射流長度和流速呈線性關(guān)系，和實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致;

　　(2) 隨著噴口直徑的增大，沿對(duì)稱軸的He 摩爾分?jǐn)?shù)逐漸增大，射流軸向長度正比于氣體的體積流量;

　　(3) 在相同條件下，He，Ne，Ar 沿對(duì)稱軸的摩爾分?jǐn)?shù)依次逐漸增大，表明三種氣體中，Ar 最有利于等離子體射流的傳播，即在相同條件下，Ar 產(chǎn)生的等離子體射流的長度應(yīng)最長。

　　本文的工作主要基于層流模式下噴射工作氣體的摩爾分布來展開，但外加電場( 特別是外加電壓的頻率、峰值、占空比) 的作用也不可忽視，它和氣流分布是如何相互耦合共同決定等離子體射流的傳播的仍不是非常清楚。在未來的工作中希望在上述研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究二維軸對(duì)稱等離子體射流的等離子體流注放電產(chǎn)生和傳播的過程，從而更好地掌握等離子體射流的物理特性。