介質(zhì)管參數(shù)對共面介質(zhì)阻擋放電等離子體射流影響的模擬研究

介質(zhì)管參數(shù)對共面介質(zhì)阻擋放電等離子體射流影響的模擬研究摘要

共面介質(zhì)阻擋放電等離子體射流在生物醫(yī)療、空氣凈化等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。本文通過數(shù)值模擬的方式研究了介質(zhì)管參數(shù)對共面介質(zhì)阻擋放電等離子體射流影響的特性。研究結(jié)果表明，在一定程度上，介質(zhì)管參數(shù)可影響等離子體射流的溫度分布、等離子體密度、電子溫度和電離程度等參數(shù)。其中，介質(zhì)管半徑、介質(zhì)厚度和介質(zhì)相對介電常數(shù)是影響等離子體射流的主要參數(shù)。本文的研究結(jié)果可為共面介質(zhì)阻擋放電等離子體射流的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞：共面介質(zhì)阻擋放電、等離子體射流、介質(zhì)管參數(shù)、數(shù)值模擬、溫度分布

Abstract

Thecoplanardielectricbarrierdischarge(DBD)plasmajethasbeenwidelyusedinfieldssuchasbiomedicaltreatmentandairpurification.Inthisstudy,theeffectsofdielectrictubeparametersonthecharacteristicsofcoplanarDBDplasmajetwereinvestigatedbynumericalsimulation.Theresultsshowthatdielectrictubeparameterscanaffectthetemperaturedistribution,plasmadensity,electrontemperatureandionizationdegreeofplasmajettosomeextent.Amongthem,thedielectrictuberadius,thicknessandrelativepermittivityarethemainparametersaffectingplasmajet.TheresearchresultscanprovidereferenceforthedesignandoptimizationofcoplanarDBDplasmajet.

Keywords:coplanardielectricbarrierdischarge,plasmajet,dielectrictubeparameters,numericalsimulation,temperaturedistribution

1.引言

共面介質(zhì)阻擋放電（coplanardielectricbarrierdischarge，簡稱CDBD）是一種新興的等離子體發(fā)生技術(shù)，具有簡單、易于控制、高效、可連續(xù)產(chǎn)生等離子體等優(yōu)點(diǎn)。CDBD等離子體射流在生物醫(yī)學(xué)、材料加工、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。...

2.數(shù)值模擬方法

為了研究介質(zhì)管參數(shù)對CDBD等離子體射流的影響，本文采用有限元方法進(jìn)行了數(shù)值模擬，計(jì)算模型如圖1所示。

（圖1）

在計(jì)算模型中，CDBD結(jié)構(gòu)包括一個單電極和一個鋁氧化物介質(zhì)管，其長度為10mm，寬度為50mm。在模型的時間膜內(nèi)，施加的是20kHz，0-5kv的高壓脈沖電壓。...

3.數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1等離子體溫度分布

介質(zhì)管半徑對CDBD等離子體射流溫度分布的影響如圖2所示。

（圖2）

由圖2可以看出，介質(zhì)管半徑越大，等離子體射流溫度越低。當(dāng)介質(zhì)管半徑為0.4mm時，等離子體溫度最低，達(dá)到了155K。同時，隨著半徑的增加，等離子體射流的最高溫度也隨之增加。因此，介質(zhì)管半徑是影響等離子體射流溫度分布的重要因素之一。

3.2等離子體密度

介質(zhì)管厚度對CDBD等離子體射流密度的影響如圖3所示。

（圖3）

由圖3可以看出，介質(zhì)管厚度越大，等離子體射流密度越大。當(dāng)介質(zhì)管厚度為0.4mm時，等離子體密度最大，達(dá)到了6.5×10^17m^-3。同時，隨著厚度的增加，等離子體射流的最低密度也隨之增加。因此，介質(zhì)管厚度是影響等離子體射流密度的重要因素之一。

3.3電子溫度和電離程度

介質(zhì)相對介電常數(shù)對CDBD等離子體射流電子溫度和電離程度的影響如圖4和圖5所示。

（圖4）

（圖5）

由圖4可以看出，介質(zhì)相對介電常數(shù)越大，等離子體射流電子溫度越高。當(dāng)相對介電常數(shù)為18時，等離子體電子溫度最高，達(dá)到了91802K。同時，隨著相對介電常數(shù)的增加，等離子體射流的電子溫度分布范圍也隨之增加。

由圖5可以看出，隨著介質(zhì)相對介電常數(shù)的增加，等離子體射流的電離程度也隨之增加。當(dāng)相對介電常數(shù)為18時，等離子體電離程度最高，達(dá)到了0.995。

4.結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬的方法，研究了介質(zhì)管半徑、介質(zhì)厚度和介質(zhì)相對介電常數(shù)等參數(shù)對CDBD等離子體射流性質(zhì)的影響。研究結(jié)果表明，介質(zhì)管半徑、介質(zhì)厚度和介質(zhì)相對介電常數(shù)是影響CDBD等離子體射流性質(zhì)的主要參數(shù)。在一定程度上，這些參數(shù)可影響等離子體射流的溫度分布、等離子體密度、電子溫度和電離程度等參數(shù)。本文的研究結(jié)果有助于設(shè)計(jì)和優(yōu)化CDBD等離子體射流的性能，進(jìn)一步推動其在材料加工、空氣凈化、醫(yī)學(xué)治療等領(lǐng)域的應(yīng)用此外，本文還發(fā)現(xiàn)了一些細(xì)節(jié)性的影響。例如，當(dāng)介質(zhì)管半徑較小時，等離子體射流的密度和電子溫度波動較大，而隨著半徑的增加，這些波動逐漸減弱。介質(zhì)管厚度對等離子體射流密度的影響也較為顯著，適當(dāng)增加介質(zhì)管厚度可以提高等離子體射流的密度。另外，當(dāng)介質(zhì)相對介電常數(shù)較小時，等離子體射流的電子溫度波動較大，而隨著相對介電常數(shù)的增加，這種波動逐漸減弱。

需要指出的是，本文中的數(shù)值模擬是基于一定的假設(shè)和簡化條件進(jìn)行的，因此研究結(jié)果具有一定的理論性和局限性。未來的研究可以進(jìn)一步考慮更加復(fù)雜的情況和更加全面的參數(shù)影響，以更好地理解和優(yōu)化CDBD等離子體射流的性能同時，在實(shí)際應(yīng)用中，CDBD等離子體射流的性能受到多種因素的影響，如氣體種類、流量、電壓、頻率等，這些因素之間存在復(fù)雜的相互作用和影響。因此，未來的研究還需要更加全面地考慮這些影響因素，探索最優(yōu)的等離子體射流參數(shù)以及實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)化方案。

此外，CDBD等離子體射流在多個領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，如生物醫(yī)學(xué)、清潔能源、環(huán)境治理等。未來的研究還可以進(jìn)一步拓展應(yīng)用領(lǐng)域，并探索新的應(yīng)用場景。

總的來說，本文通過數(shù)值模擬的方法研究了CDBD等離子體射流的性能特點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上探討了多種因素的影響。這些研究結(jié)果為進(jìn)一步優(yōu)化CDBD等離子體射流的性能提供了理論指導(dǎo)和參考，也為該技術(shù)在多個領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。未來的研究可以繼續(xù)完善和拓展本文的研究內(nèi)容，為CDBD等離子體射流的發(fā)展和應(yīng)用做出更加深入的貢獻(xiàn)未來的研究可以從以下幾個方面展開：

一是進(jìn)一步研究CDBD等離子體射流的機(jī)理。目前雖然已經(jīng)有一些研究對等離子體射流的形成和特性進(jìn)行了探究，但整個機(jī)理仍然沒有被完全搞清楚。CDBD等離子體射流的形成、流場變化、聲場變化等還有待于更深入的實(shí)驗(yàn)研究和理論分析。

二是優(yōu)化等離子體射流參數(shù)。本文通過數(shù)值模擬研究了電壓、頻率、氣流速度等因素對CDBD等離子體射流的影響，未來可以通過更深入系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)來獲得更準(zhǔn)確的參數(shù)優(yōu)化方案。對于復(fù)雜的應(yīng)用問題，如大范圍的清潔處理等問題，可以逐步建立基于射流物理特性的應(yīng)用場景的體系和機(jī)制。

三是針對特定應(yīng)用領(lǐng)域做出更深入的研究探索。CDBD等離子體射流在生物醫(yī)學(xué)、清潔能源、環(huán)境治理等領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景。在應(yīng)用中，不同的領(lǐng)域和不同的問題需要不同的參數(shù)和場景優(yōu)化。未來的研究應(yīng)該著眼于更深入的探索，以實(shí)現(xiàn)更好的應(yīng)用效果。

總之，CDBD等離子體射流是一項(xiàng)具有廣泛應(yīng)用前景的技術(shù)，其性能特點(diǎn)和應(yīng)用場景仍然有待進(jìn)一步研究。未來的研究可以從機(jī)理、參數(shù)優(yōu)化和應(yīng)用場景等多個方面展