大气压低温等离子体射流器件的流体特性研究

论文总字数：23094字

摘 要

本科生签名： 指导导师签名： 日期：

摘要

大气压低温等离子体射流器件的流体特性研究

06311123 王东江

指导老师 杨兰兰

大气压等离子体射流是采用特殊电极结构，利用气流和电场的作用使放电区域产生的等离子体从喷管中喷出，在周围大气环境中形成定向流动，它直接在大气环境中产生，不需要借助真空设备，结构简单，使用方便，在表面处理，环境保护和生物医学等领域有着广泛的应用前景。为了研究大气压低温等离子体射流器件的流体特性采用了软件模拟的方法，并对COMSOL Multiphysics与Fluent软件对流体分析模拟性能进行对比分析。模拟结果表明模拟流体特性时Fluent具有更高的收敛速度与求解精度。而COMSOL Multiphysics是将需要求解模拟的问题归结于偏微分方程，并且在离散化后将偏微分方程乘上各种形函数加以积分处理，求解矩阵方程。综合看出，COMSOL Multiphysics软件更偏向多物理场，对多种情况下的电与流体场有较高的适应性，但流体的处理在网格划分上就较Fluent略逊一筹。在相同的模型下，发现了最适合COMSOL Multiphysics对于所建模型的来讲最佳网格步长。并且比对两个软件的不同计算结果，分析得出两种软件对流体运动的计算精度的不同。最后根据实验数据分析等离子体的相关特性，从而为大气压低温等离子体射流在各领域的发展和应用提供理论基础。

关键词：等离子体射流；COMSOL；Fluent；计算精度

Abstract

Investigation of fluid characteristics in atmospheric pressure cold plasma jet

06311123 DongJing Wang

Tutor LanLan Yang

Atmospheric pressure plasma jet is using special electrode structure, the use of air and electric discharge region of the plasma ejected from the nozzle and in the surrounding atmospheric environment formed directional flow. It directly producesin the atmosphere, and does not need the vacuum equipment, therefore it has the advantages of simple structure, convenient use in surface treatment, environmental protection, biomedicine and other fields with a wide application prospect. In order to study the fluid characteristics of low temperature atmospheric pressure plasma jet device by using the method of software simulation. And the comparison between the COMSOL Multiphysics and the Fluent software to simulate the performance of fluid analysis was based on the previous work, obtained in the simulation of fluid properties of Fluent with the convergence speed and solution precision higher. COMSOL Multiphysics will need to solve simulation problems due to the partial differential equations, and the discrete partial differential equation by various shape function to be integral, solving the matrix equation. The COMSOL Multiphysics software is more comprehensive, multi physics field, has high adaptability to various conditions of electrical and fluid field, but in the treatment of fluid mesh is slightly inferior than that of Fluent. In the same model, found the most suitable for COMSOL Multiphysics model in terms of the optimal mesh size. And the comparison of different calculation results of two software analysis, calculation accuracy of two kinds of software on the fluid motion of the different. According to the correlation analysis of experimental data, it provides a theoretical basis for the development and application of low temperature atmospheric pressure plasma jet in various fields.

KEY WORDS:Plasma jet;COMSOL；Fluent；The calculation precision

目录

摘要 3

Abstract 3

目录 4

第一章绪论 5

1.1大气压低温等离子体射流的概述 5

1.1.1 大气压低温等离子体 5

1.1.2 大气压低温等离子体的应用与难点 7

1.2课题主要工作及意义 8

1.3 本章总结 9

第二章射流流体特性模拟仿真 10

2.1基于COMSOL的流体特性仿真 10

2.1.1 COMSOL的基本原理及特点 10

2.1.2COMSOL模型建立及数据处理 11

2.2基于Fluent的流体模拟 20

2.2.1 Fluent基本原理及特点 20

2.2.2 Fluent模型建立及数据处理 21

第三章数据对比分析与结论 26

3.1数据对比分析 26

3.1.1 网格步长的改变对计算结果精度的影响 26

3.1.2 气体流速的改变对计算结果的影响 26

3.1.3 Fluent软件与COMSOL软件对结果的影响 27

致谢 29

参考文献 30

1. 绪论

1.1大气压低温等离子体射流概述

• • 1. 大气压低温等离子体

等离子体被称作宇宙中物质的第四种状态，也被叫做等离子态，亦称作 “超气态”，同时也称为“电浆体”。虽然等离子体在我们的生活中只占一小部分，但是它却是宇宙中物质最常见的状态。它是由电子、离子以及还没有电离的中性粒子组成的集合体，整体的物质状态呈中性。当原子被加热到一定程度时，就会发生电离，即电子脱离原子核自由移动，从而形成了一团由电子及原子核构成的一种类似浆状的物质状态。在这种物质状态下，由于原子核所带电量与电子所带电量总是近似相等，因此我们把这种物质状态称作等离子体。因此最早的等离子体研究要算是19世纪30年代英国的M.法拉第和其后的J.J.汤姆孙、J.S.E.汤森德等人所研究气体放电现象，紧接着英国的W.克鲁克斯对这种电离的物质状态采用了“物质第四态”这种说法。直到1928年美国的I.朗缪尔才采用等离子体这个学术名词，等离子体这种说法才进入了科学界^【1】。现今随着科学家对宇宙空间的探索，对等离子体的理解也越来越深入了。等离子体现今又被分为高温等离子体和低温等离子体。本文主要讨论研究低温等离子体的性能指标。低温等离子体具有高温等离子体不具有的性质，低温等离子体顾名思义指的是气体温度较低，同时也具有工作气压较高和受空间的限制较少的特点。低温等离子体的低温与我们平时生活中所讲的低温具有极大的差别，它的气体温度通常在室温到500℃之间，影响低温等离子体工作的因素也有很多，如喷射口的气体流速大小，以及输入功率的大小，还有不同的输入气体电离也会极大程度的影响等离子体的性质，当然，喷射口的距离和输入功率的大小也是影响低温等离子体的因素。大气压低温等离子体射流是在大气压下放电的呈现喷射状的等离子体，产生的射流直径约在0.1mm～40mm之间，射流的长度约为0.3cm～20cm之间。

大气压低温等离子体的产生方法有很多，如辉光放电，电晕放电，介质阻挡放电，射频放电，滑动电弧放电，射流放电，大气压辉光放电，次大气压辉光放电^【2】。下面介绍几种常见的放电方法。其中辉光放电是属于较低气压放电的一种方法，它的工作压力一大部分都处于10mbar以下，辉光放电的构造是将两个平行的电极板放置在封闭的容器内，激发中性原子和分子，使电子由激发态下降到基态，这个时候会有能量以光的形式释放出来。辉光放电常常被用于做化学等离子体的实验，但由于受到它的工作条件限制，还有它的高昂的成本的限制，导致了辉光发电在工业上很难普及。而电晕放电就相对常见许多，导致电晕放电的是不均匀电场中的电场效应，气体介质出现了自持放电。这种情况最常发生在曲率半径很小的尖端电极附近，在局部电场强度远远超过气体电离所需要的强度时，那么气体就会气体发生电离和激励，从而导致了出现电晕放电。电晕发生后往往在电极附近伴随着光亮，并伴有声响。不可否认电晕放电是放电形式中相对稳定的一种。因为电晕放电导致了空间电荷的逐步累积，也造就了电荷分布状况的不同。这就使电晕放电的形成原理随着尖端电极的极性改变而改变。电晕放电反应器的设计可以参考两种电源，一种是直流电源，另一种是脉冲式的电源。介质阻挡放电(DBD)是近些年来才发展出的放电形式，介质阻挡放电(DBD)顾名思义就是将某种绝缘介质置于放电空间之中的不平衡的气体放电，因此它也被称作介质阻挡电晕放电或无声放电。介质阻挡放电的工作频率很宽，工作气压幅度也很大，连电源频率也有很大的选择空间，同时它的电极结构的设计形式也是多种多样的。将工作气体填充于两个放电电极之间,并且采用绝缘介质覆盖其中一个或两个电极，或者还可以采用悬挂法或颗粒法用于介质，介质阻挡放电在较高的正弦波型交流电压的作用下，电极中的气体会出现三种不同的状态，那就是绝缘状态、击穿状态、放电状态。当电压升高到一定程度电极间的气体会被击穿就产生放电，这就是介质阻挡放电。在介质阻挡放电方法中，如果位于电极间的气隙是均匀的，那么放电的状态会比较均匀和稳定。这种放电的形状是较多的脉冲状的细丝般的电流，而这种细丝般的脉冲电流在时间上和空间上是没有规律可言的，通常情况下它具有圆形的放电通道，它的半径较小，只有0.2~0.3mm，通常情况下它的放电时间结束的非常快，仅为10~100ns。这些脉冲状的丝状电流可以在介质表面形成放电，从而形成一十分明亮的亮斑状图案^【3】。介质阻挡放电的特性也毫无疑问的会随着工作频率、工作气压等因素的改变而改变。介质阻挡放电已经进入了我们的生活各处，可是毕竟它距离真正的研究与使用也只有20年左右，因此对其放电的研究也处于比较浅显的从整体分析，并没有很全面的研究结论能够说明清楚其局部的各种原理，也没有某种研究可以概括所有的介质阻挡放电情况.毕竟对介质阻挡放电的研究中在涉及化学的同时也有物理一面，工作条件的不同也造就了介质阻挡放电的研究定性的困难程度。

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