大气压非平衡等离子体射流活性粒子产生机制

大气压非平衡等离子体中的高能电子和大量活性粒子如O、OH等能够同污染物发生反应,达到促进污染物降解的目的。因此通过数值模拟和实验的方法对大气压脉冲直流等离子体射流推进以及OH产生机理进行了研究。模拟结果表明:介质管内表面附近形成的鞘层将等离子体通道和介质隔离开来,介质边缘的强电场增强了气体混合区域的电离,因此射流头部呈现出环状结构。Penning电离在电离过程中起主导作用并提高了等离子体通道的电导率。电子分解水分子,电子和水离子的复合以及O(1D)分解水分子是产生OH最主要的3个反应,其中电子分解水分子在3者中作用最大。工作气体中掺入额外的N2、O2和水蒸气能够小幅度提高OH的密度是因为Penning电离增加了电子密度。由于空气的扩散,尽管掺入水蒸气能够使管内OH密度有显著提高,该方法对提高管外OH密度效果并不明显。选择合适的脉冲周期数是控制射流活性的有效手段。     

大气压放电氦气等离子体射流特性

为研究大气压下不同氦气等离子体射流结构的电特性及其射流影响因素,对外表面双电极、针-环电极、单电极结构下的大气压放电氦气等离子体射流特性进行了实验分析。分别观测、对比了不同实验条件,如电极位置、电极尺寸、外加电压和气体体积流量等,对等离子体射流的影响。结果表明:外表面双电极和针-环电极结构均可实现稳定的多脉冲放电;处于层流状态时,3种结构下等离子体射流长度均随着电压的升高而变长;当针-环电极结构的接地电极远离喷口,或是单电极结构的高压电极远离喷口时,射流长度均会缩短;外表面双电极和单电极结构中,高压电极宽度的增大会使射流长度变长,但针-环结构中电极宽度增大反而会导致射流长度缩短;针-环电极结构的伏安曲线、功率特性曲线均比外表面双电极结构的对应曲线"陡",且针-环电极结构的放电功率相对较高。     

大气压氦气冷等离子体射流放电一维数值模拟

为了明确大气压冷等离子体射流的形成机理,采用一维流体模型研究了针-板电极下大气压氦气冷等离子体射流中等离子体子弹的传播过程,得到并分析了等离子体子弹的空间结构。模拟结果表明,等离子体子弹实际上就是等离子体射流头部的电离区域,其传播过程即为该电离区域的推进过程。Penning电离可以为等离子体射流的传播提供种子电子。驱动电压的极性对等离子体射流的性质有着重要的影响,与正脉冲驱动等离子体射流不同,负脉冲驱动下的等离子体射流具有一个较窄的阴极位降区,且内部没有准中性区域。     

大气压射频放电中放电参数对活性粒子影响的数值模拟研究EI北大核心CSCD

大气压射频放电是人们比较关注的气体放电形式,在合适的放电条件下,其产生的低温非平衡等离子体中可以产生大量的活性粒子,如何优化与调控这些活性粒子的产生与分布是实际应用中,特别是与环境相关的应用中人们非常关心的问题。因此数值求解了描述大气压射频等离子体的流体模型,研究了放电频率、放电间隙及脉冲调制对大气压射频等离子体中活性粒子的影响。计算结果表明,在相同的功率下,过高的放电频率(>20 MHz)会抑制活性粒子的产生,而较小的放电间隙(<1 mm,即在微等离子体范围内)则有助于提高活性粒子的数密度;通过选取合适的调制频率与占空比,借助于脉冲调制的方式在大气压射频放电中可以有效的调控活性粒子的产生,并降低功率消耗。研究结果可对大气压射频放电中活性粒子的应用提供一定的理论指导。     

大气压氩等离子体射流特性

为了在大气压下获得均匀、稳定且具有较大体积的氩气介质阻挡放电等离子体射流,提出了一种新的同轴型具有螺纹型内电极结构的等离子体发生器结构设计,在大气压开放环境下获得了均匀稳定的类辉光氩气介质阻挡放电等离子体射流。实验和初步的零维数值模拟结果表明:在所研究的工作参数范围内,放电随外加电压的增加可工作于初始放电阶段、过渡阶段、稳定放电和不稳定放电阶段;在稳定放电模式下,均匀弥散的类辉光放电可充满内径为8.9mm的玻璃管,发射光谱测量结果表明在等离子体射流区含有多种化学活性粒子;数值计算和实验测量所估算的等离子体射流长度基本一致(可为30mm以上),且等离子体射流发射光谱强度的轴向分布与其中亚稳态粒子的退激发过程相关。     

大气压氩气等离子体射流长度的影响因素

为了研究不同大气压氩气射流结构的放电特性以及气流速率、外施电压和电极结构对射流体长度的影响,设计了外表面双电极、外表面单电极和中心同轴电极3种不同结构的氩气等离子体射流装置,并结合气体动力学和静电场进行了分析。实验结果表明,随着气流速率的增加,射流管内的氩气流动状态会经历从最初的层流态到中间的过渡态再到最后的湍流态的过...     

气体流速对大气压氩气等离子体射流影响的实验与仿真

为了研究气体流速对Ar大气压等离子体射流（APPJ）的影响,首先对其进行了实验研究,并通过建立二维轴对称模型,数值仿真了Ar气流在空气中的流速与摩尔分数分布。考虑了高流速下湍流对APPJ的影响,耦合求解了连续性方程、N-S方程、K-ε湍流方程以及混合气体的组分输运方程。实验结果表明,随Ar流速的变化APPJ表现为层流、...     

双环电极大气压氦气等离子体射流的特性及其影响因素

大气压等离子体射流(APPJ)具有极强的应用前景,近年来在国际上引起了重大关注,成为气体放电领域的重要研究课题。为了进一步掌握其射流特性及影响因素,设计并制作了外表面双环电极氦气等离子体射流装置,通过实验研究了电极宽度、电极与喷口距离对射流功率及射流长度的影响,并在实验的基础上,分析了放电的发展过程以及各现象的物理机理。实验结果表明:随着外加电压的不断升高,APPJ半周期内的放电电流脉冲个数从1个逐步升至2个、3个,随后放电电流出现不规则丝状,直至2个电极间沿外表面击穿;增大高压电极的宽度或缩短高压电极离喷口的距离,都有利于APPJ放电功率的提升;2个电极间距越大、高压电极离喷口越远,最大射流长度越长,而初始的射流长度由高压电极宽度决定;随着氦气流量的增加,APPJ的射流长度先增长,然后下降,最终趋于平稳,在射流长度的下降阶段会出现长度多波峰现象。     

等离子体射流的推进机理

作为一种应用前景广阔的新兴等离子体源,大气压下非平衡等离子体射流在近10年的研究中取得了很大进展。为了更有效地利用等离子体射流,人们对其物理机理展开了深入研究,其中等离子体射流的传播机理尤其令人关注。一般认为等离子体射流的传播是受电场驱动的,但是最新的研究表明还存在另外一种驱动方式,即流体驱动。分别对以上两种驱动方式下射流传播的特点和影响因素进行了概述,并对电场驱动等离子体射流传播的空间特性、时间特性、极性效应,以及光电离的作用进行了讨论。流体驱动的等离子体射流与电场驱动的等离子体射流有着完全不同的传播过程,这种射流的传播是通过气流驱动的,具有推进速度相对较低,对电场不敏感等特性。最后,该文对大气压非平衡等离子体射流的传播机理中尚未解决的问题,以及未来的研究方向作了展望。     

大气压氩等离子体射流的放电特性

为了深入地理解大气压等离子体射流放电机理和优化其放电效率,通过对大气压氩等离子体射流的电压电流波形和Lissajous图形等电气特性的测量及发射光谱和发光图像等光学特性诊断,研究了外电极距石英玻璃管口不同距离时,氩等离子体射流放电的放电特性和演变规律。计算放电功率、传输电荷量、电子激发温度、分子振动温度和分子转动温度等主要放电参量后,研究了它们随外加电压增加的变化趋势,并结合放电机理对所得实验结果进行了分析。结果表明,氩等离子体射流主要产生的粒子有OH、N2、Ar和少量的O,随着外电极位置的不同,气体温度在317～395K之间变化,为典型的低温等离子体;外电极位置影响放电模式和放电起始电压,在氩射流阶段,电子激发温度在不同外电极位置条件下相差不大。当外电极距离管口40mm时,外加电压幅值达8kV时,放电功率和传输电荷最大,放电效果和发光强度也最强,由Penning效应产生的OH谱线强度也最强,因此,用于聚合物材料表面改性等应用时,可以采用此运行参数,以达到更好处理效果。     

氩气辅助激发大气压微波冷等离子体射流的研究

微波同轴谐振器已被广泛用作大气压等离子体射流的发生装置,其产生的等离子体射流已用于生物医学、材料表面处理等众多领域,大气压条件下微波放电等离子体源的功率阈值是影响其能否广泛应用的关键问题。文中设计的微波等离子体射流源工作频率2.6 GHz,回波损耗13.99 dB,工作气体为Ar气,大气压条件下产生紫色的丝状射流,击穿功率41.1 dBm(12.9 W),维持功率仅20 dBm(0.1 W)。结合实验观察和ANSYS Fluent流体力学仿真方法探究了等离子体射流长度与气体体积流量、输入功率的关系,发现层流状态下射流长度随气体体积流量增大而伸长,湍流状态下则反之,但不同气体体积流量下射流长度均随着输入功率单调增大。同时,实验发现关断Ar气后等离子体并未熄灭,而是诱发了同轴尖端附近位置的空气等离子体维持状态。在此基础上提出以Ar气或He气为先导气体,将其电离击穿后辅助激发难电离气体产生冷等离子体射流,在不需要提供高微波功率条件下实现了CO₂、N₂、O₂等冷等离子体射流。     

基于同轴直管和倒置锥形管的氩大气压等离子体射流放电形态的实验和仿真

为了研究同轴直管和倒置锥形管对氩气大气压等离子体射流(APPJ)放电形态的影响,首先进行实验,并通过建立二维轴对称模型,耦合求解连续性方程、Navier-Stokes方程、k-ε湍流方程和粒子质量输运方程,数值仿真两种管体中的氩气流的摩尔分数分布。相关结果表明,层流状态下,直管中的放电沿着管壁发展且不稳定;倒置锥形管中放电稳定,且集中在管体轴部。在层流状态下,与传统的同轴直管相比,采用锥管能够改善氩气流场分布,管体内存在较低氩气摩尔分数形成的薄层,阻碍了沿面放电的发生,保证了放电的稳定性。而湍流状态下,由于径向扩散效应,两管体中氩气摩尔分数分布差异变小,等离子体放电的形态差异不大。     

中频正弦电压下大气压氦等离子体射流的产生机理

为了探讨He大气压等离子体射流(APPJ)的产生机理,采用增强型电荷耦合元件(ICCD)分别拍摄HeAPPJ的纵截面和横截面图像发现,He在17kHz中频正弦外施电压下正负半周的APPJ图像不对称,在正半周电压下,He APPJ以空间流光的形式向石英管口传输,至石英管外转换为沿He/Air界面传输的沿面放电;而在负半周电压下,He APPJ传播较正半周下短,为一种典型的存在于He气流中的电晕放电现象。研究APPJ长度与管内介质阻挡放电(DBD)放电模式的关系发现,随着外施电压的升高,DBD放电将依次呈现出"倍周期"、"混沌"、"流光-辉光过渡"、"非对称辉光"、"对称辉光"和"辉光+丝状"等6种模式,各个模式的放电电流波形具有不同的特征,等离子体羽流长度并不是单纯地随着外施电压增大而增长的量,而是放电所产生的He激发态粒子浓度与放电对气流的扰动两方面共同作用的结果。     

背景气体对大气压氦等离子体射流特性的影响

大气压等离子体射流在不同气体环境内的维持与流动,必然导致射流工作气体与背景气体发生不同程度的混杂,从而影响等离子体射流特性。对于此问题,通过电学特性测量、发射光谱诊断等方法,比较了等离子体射流在不同气体环境下的射流形态、电学特性、放电产物,研究了空气、氮气、氩气、氦气4种背景气体对大气压氦等离子体射流特性的影响。结果显示:背景气体会介入大气压氦等离子体射流的演变过程,并导致等离子体射流特性改变;能与He发生彭宁电离的背景气体会促进大气压氦等离子体射流的发展,负电性气体和低激发态多的背景气体则会阻碍其发展;大气压氦等离子体射流若存在彭宁电离,则背景环境中稀有气体和空气等主要组成气体的电离能越高,大气压氦等离子体射流传播越远。     

大气压低温等离子体射流制备刺激响应型凝胶

利用大气压低温等离子体射流直接处理甲基丙烯酸-2-羟乙酯(HEMA)与甲基丙烯酸二乙氨基乙酯(DEAEMA)单体的混合液从而得到刺激响应型凝胶.这种等离子体聚合凝胶的产生无需偶联剂或引发剂.X射线光电子能谱仪(XPS)分析结果表明这种等离子体聚合凝胶保留了两种单体的功能团.接触角和表面能的测量计算说明这种凝胶具有可稳定...     

大气压非平衡等离子体诊断:激光散射

大气压非平衡等离子体在表面改性和杀菌消毒等领域等具有广泛的应用.为了增强对其物理机制的理解,电子数密度和温度、气体动力学温度和分子转动温度等关键参数的测量必不可少.激光散射是对这些参数进行诊断的常用技术,该文将针对大气压非平衡等离子体诊断中的激光散射诊断进行了较为详细的评述.首先对瑞利散射、汤姆逊散射和拉曼散射这3种类...     

大气压Ar/H_2O等离子体射流的放电特性

为促进大气压Ar/H2O等离子体射流放电在材料表面改性、等离子体医学及环境工程等方面的应用,研究了大气压Ar/H2O等离子体射流放电模式和放电参量。测量了这种射流在不同外加电压下的电气特性、发光特性及光谱特性,并据此计算得到主要放电参量,如放电功率、传输电荷、电子激发温度、分子振动温度以及转动温度等随外加电压的变化规律。结果表明:随着外加电压的增大,大气压Ar/H2O等离子体射流放电模式可分为电晕放电、介质阻挡放电和射流放电3个阶段,并可通过电压电流波形图和发光图像进行区分。Ar/H2O等离子体射流产生的粒子主要有Ar、OH以及少量的O和N2等。随着外加电压的增大,放电功率、传输电荷及主要粒子(包括OH)的谱线强度都随着外加电压的增大而增大。当外加电压从7 kV增加到9.5 kV时,分子振动温度和转动温度随着外加电压的增大而增大,其变化范围分别为1 000~2 200 K和350~550 K。当外加电压为9.5 kV时,电子激发温度为0.646 eV。     

基于锥形管的环-板电极结构大气压等离子体射流特性

为了研究锥形管对Ar大气压等离子体射流的影响,在环–板电极结构的基础上,采用锥形石英玻璃管作为等离子体射流反应器,并引入了悬浮电极,对其进行了实验研究。通过大气压氩等离子体射流的电气特性的测量和光学特性的诊断,包括拍摄发光图像,测量射流的电压–电流波形和发射光谱,然后计算获得平均放电功率和电子激发温度,研究了当采用不同形状的玻璃管时,Ar等离子体射流的放电特性和演变规律,并结合气体流场仿真与电场仿真对所得的实验结果进行了分析。结果表明:与传统的直管电极结构相比,引入悬浮电极的基于锥形管的环–板电极结构产生的等离子体射流的放电电流有效值、放电功率以及电子激发温度均有所提高;利用锥形管可以使管中Ar气流在出口处的流速更快,且速度分布更为均匀,使得Ar气流可以更为平稳的向前扩展;同时在管口附近形成Ar含量较大的气体氛围,更有利于放电的发展;在环板电极结构中引入悬浮电极,加强了高压电极与悬浮电极间的电场,更易使流过电场中的气体电离,并且使能量集中在射流产生通道,提高了能量利用率。