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。     

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。     

大气氛围中氩气等离子体射流的数值模拟

为了分析大气压空气环境中氩气等离子体射流的特性,建立了二维轴对称的等离子体射流喷射模型;考虑待处理材料对等离子体射流的影响,利用Jets＆Poudres软件耦合求解了等离子体射流的可压缩N—s方程、能量方程以及K-e湍流方程;采用自由边界条件来处理射流等离子体的外边界条件,分析了射流等离子体的温度、速度以及所含空气组分...     

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。     

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。     

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。     

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...     

封闭式等离子体发生器设计及其放电等离子体参数分布实验研究

为满足飞行器典型部件隐身需求,针对等离子体隐身技术应用中存在的在低空开放环境下不易产生和维持的问题,设计了一种封闭式的等离子体发生器。使用μs脉冲电源,以氩气为工作气体,在低气压下进行了放电实验。利用发射光谱法,研究了电子温度和电子密度在密闭腔体内部的分布规律。等离子体电子温度变化采用Boltzmann曲线斜率法进行分析,等离子体电子密度的变化通过分析Ar 750.38nm谱线强度变化得到。实验发现:放电电压对于电子密度的影响较为强烈,而对于电子温度影响相对较小。无论从腔体X轴还是Y轴出发,都可以看出其电子温度总体上呈现下降趋势,而电子密度逐渐增加。而且由于进气口和真空泵接口的位置分布产生的气压梯度原因,2个参数的变化在X轴向上都表现得更为强烈。     

常压正弦激励射流等离子体的光谱特性研究

笔者研究了大气压下介质阻挡放电的产生及其发射光谱特性。放电施加正弦激励,频率和幅值分别是5²0 kHz和020 kHz和0²0 kV。通过高频数字示波器测量放电的电流电压。光谱特性通过发射光谱仪测量。光谱仪测量范围为20020 kV。通过高频数字示波器测量放电的电流电压。光谱特性通过发射光谱仪测量。光谱仪测量范围为200¹ 100 nm,通过光谱分析以确定大气压下等离子射流的影响因素。结果表明:施加电压幅值是其首要影响因素,其次是频率;气体流速的影响因气体成分的不同而不同;纯Ar大气压等离子射流只能观察到活性例子Ar而没有Ar2,Ar+2或Ar+的光谱。     

Ar/O2和Ar/H2O中大气压等离子体射流放电特性的比较

为了比较大气压下Ar/O2和Ar/H2O等离子体射流放电特性的区别,混入相同含量的O2和H2O,通过测量电压电流波形,Lissajous图形,发光图像,发射光谱等放电特性,研究了两种气体工作时,等离子体射流的放电特性和演变规律.计算放电功率、传输电荷、电子激发温度、分子振动温度、分子转动温度等主要放电参量后,研究了它们随外加电压幅值的变化趋势,并就趋势图和实验结果做机理分析和讨论.研究结果表明,两种气体下等离子体射流的放电形式为电晕放电、DBD以及射流形成等三个阶段,随着电压的增加,两种气体的射流长度不断增加.两种气体的发射光谱图中,产生的主要发光粒子均为OH、Ar、N2和O,气体温度在300～650K范围内,属于低温等离子体.在外加电压幅值为7～9.5kV范围内,Ar/H2O等离子体射流光谱强度要强于氩氧,通过对电子激发温度和分子转动温度的计算,发现Ar/O2和Ar/H2O的电子温度相差不大,但是Ar/H2O有更低的气体温度,更有利于处理热敏感材料.     

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。     

两间隙毛细管等离子体发生器触发放电数值模拟

两间隙毛细管等离子体发生器利用触发间隙放电产生等离子体射流连通主放电间隙,引发主放电形成高温等离子体射流。建立一个一维流体模型对两间隙毛细管触发放电进行模拟,对考虑管壁烧蚀和不考虑管壁烧蚀条件下的触发放电的特性进行计算,分析触发放电过程对主间隙击穿的影响。由于管壁烧蚀补充毛细管内由于开口端流出的质量损失,因此在放电期间毛细管内的气体压强、流速和温度基本保持稳定状态;管壁烧蚀降低了放电时毛细管内的气体温度,但加快了高温区向毛细管开口端的传播速度,因而缩短了主间隙的击穿时延。     

等离子体射流参数对染污硅橡胶憎水迁移速率的影响

硅橡胶的憎水性及憎水迁移性是复合绝缘子能够防治污闪事故的主要原因,快速提高染污硅橡胶材料的表面憎水迁移速率具有重要意义。为此,采用介质阻挡放电(DBD)产生的低温等离子体射流装置对染污后的硅橡胶材料进行了处理,研究了不同等离子体射流处理参数对染污硅橡胶憎水迁移速率的影响。研究结果表明:等离子体射流放电电压、射流处理间距、射流气体体积流量、染污灰密度(NSDD)等因素对提高染污硅橡胶憎水迁移速率有较大影响;外加射流放电电压幅值越高、射流气体体积流量越大,则射流处理后初始接触角越大、憎水迁移性越好;射流处理存在有效间距,等离子体与染污硅橡胶间距超过4 cm后,处理效果将大大降低;染污灰密度增大,射流处理后憎水性改善效果变差。分析实验结论推测等离子体射流作用过程中射流能量是促使憎水迁移速率加快的主要因素。     

高温电弧等离子体点火器特性实验研究

等离子体点火器可以产生高温等离子体射流来提高点火效率,点火器的特性决定着等离子体点火的效果。笔者利用建立的实验测量系统,测量了不同点火器电极间距和介质气体流量下等离子体点火器的特性,并对实验结果进行了分析。实验结果表明:电极间距要控制在一定范围内防止维持电压过大而使放电变得困难且放电稳定性降低;点火器极间电流随介质流量的增大逐渐变小;点火器射流长度随介质流量的增大先增大后减小。     

Ar/H_2O等离子射流作用下生理盐水中H_2O_2的生成

低温常压等离子体产生的丰富的化学活性物种(活性氧和氮基团)在生物医学应用(如伤口消毒和愈合)上有着很高的需求,尤其是活性氧基团(如O(3P)、O(5P)、OH*、O2-、1O2、O、O3和H2O2)有着很强的杀菌能力。为此,采用了一种针-环介质阻挡放电(DBD)结构的Ar/H2O等离子体射流作用于生理盐水中生成H2O2,并对水蒸气体积分数、等离子体处理时间及等离子体处理后储存时间对生理盐水中H2O2浓度的影响进行了相应的研究。研究结果表明:在相同处理时间的情况下,生理盐水中H2O2浓度随着水蒸气体积分数的增大而出现先增后减的情况,而H2O2生成率和能量利用率则受水蒸气体积分数影响不大;在相同水蒸气体积分数的情况下,较长的等离子体处理时间将会导致较高的H2O2浓度、生成率和能量利用率;等离子体处理后的生理盐水中的H2O2在40 min时间内可以相对稳定地存在,显示了H2O2在等离子体药学上应用的可能性。     

两间隙毛细管等离子体发生器出口参数研究

消融放电毛细管等离子体发生器产生的等离子体射流具有高密和相对低温的特性,在许多科学研究和工业应用领域都具有潜在的应用前景。为此,利用数值模拟的方法考察了在1 kJ放电能量水平下两间隙毛细管的长度和半径、主放电电容器组的电容和起始充电电压等放电参数对毛细管出口参数的影响。研究表明,各放电参数的改变都能引起出口处的质量密度、压强的大幅度改变,而出口温度和出口速度相对保持稳定。其中,主放电电容器组充电电压、电容值增大、毛细管半径变小时,所有的出口参数都相应增大;而毛细管长度增大时,密度和压强随之增大,温度和速度反而减小。     

Modulated Induction Thermal Plasmas – Fundamentals and Applications –

This paper reviews fundamentals and applications of modulated induction thermal plasmas that have been developed. The coil-current modulation of the order of several hundreds amperes allows one to make a large disturbance in high-pressure and high temperature plasmas, and also to control the temperature and radical density in thermal plasmas in time domain. Examples will be introduced on application of the modulated induction thermal plasma to surface modification, in which thermally and chemically nonequilibrium effects are essential in temperature and radical density fields. Finally, dynamic behaviors of an arbitrary-waveform modulated induction thermal plasma that has recently been developed were also introduced as a new type of modulated induction thermal plasmas. © 2009 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.