大氣壓介質(zhì)阻擋放電物理過程的數(shù)值模擬.pdf

1、大氣壓介質(zhì)阻擋放電裝置結(jié)構(gòu)簡單，不需要昂貴復(fù)雜的真空系統(tǒng)，能在大范圍功率下工作，具有廣泛的開發(fā)和應(yīng)用前景。作為大氣壓條件下獲得非平衡態(tài)等離子體的主要手段，介質(zhì)阻擋放電近年來在實驗和理論上都得到廣泛的重視和研究。但是由于等離子體中的帶電粒子、中性原子分子和活性基團的物理化學(xué)過程十分復(fù)雜，同時許多在低氣壓的診斷方法在大氣壓條件下失效造成診斷手段的缺失，許多放電基本特征參數(shù)無法從實驗測量中獲得，使得當(dāng)前對大氣壓介質(zhì)阻擋放電的物理過程認識還未清

2、楚。因此，對其進行數(shù)學(xué)建模和計算機數(shù)值模擬成為了研究和認識大氣壓介質(zhì)阻擋放電過程的主要手段。 本文采用二維流體模型對大氣壓條件下平行板結(jié)構(gòu)介質(zhì)阻擋空氣放電進行了數(shù)值模擬，研究大氣壓介質(zhì)阻擋放電形成和發(fā)展的物理過程。對于模型的質(zhì)量連續(xù)方程和耦合電場泊松方程分別采用有限差分—流體通量修正方法(FD—FCT)和切比雪夫加速(Shebyshevacceleration)超松弛迭代方法(SOR)進行求解。 通過比較不同初始條件下的

3、電子密度分布演化、電場分布演化、放電電流以及放電過程的傳播速度的變化，得出結(jié)論如下： 放電過程可以劃分為四個階段：(1)、電子雪崩過程，(2)、流注形成，(3)、流注傳播過程，(4)、放電熄滅消退。 在雪崩過程初始階段，電子數(shù)量不斷增大，雪崩輪廓呈楔形，可見雪崩半徑正比于軸向距離z。當(dāng)橫向雪崩尺度達到特征電離長度1/α≈0.1cm時，由于排斥漂移，徑向電子雪崩快于電子擴散效應(yīng)，雪崩頭部展寬速度驟減，隨后的雪崩的發(fā)展中雪崩

4、輪廓尺寸沒有明顯變化。 當(dāng)陽極附近荷電粒子密度和電場滿足流注形成Meek擊穿條件時，陽極附近局部本征電場向陰極返回，流注形成并開始向陰極傳播。此后在流注頭部局部區(qū)域中本征電場不斷變大，氣體電離不斷增強，空間電子密度變大，向陰極運動速度不斷增大，即進入流注傳播過程。 在流注傳播過程中，流注頭部空間電荷的累積使空間電場變得更大，使得電離率顯著增大，另外還產(chǎn)生激發(fā)態(tài)粒子釋放出光子，發(fā)生光電離。碰撞電離和光電離產(chǎn)生大量二次電子，

5、出現(xiàn)二次電子雪崩，空間電子密度急劇增大，產(chǎn)生指向陰極的電離波。 流注傳播過程結(jié)束后，接下來的數(shù)微秒內(nèi)那些大質(zhì)量慢速度的離子滯留在放電間隙空間中。放電時導(dǎo)電通道里的電子沉積在陽極上，電荷累積形成與外電場反向的電場。通道中的電場強度被削弱，在外電場反向前新的雪崩和流注不能生成，放電進入熄滅消退階段。 需要指出的是：光電離項Sph對放電影響很大，特別是在流注傳播后期對流注傳播速度有加速作用。在采用數(shù)值模擬過程中，光電離效應(yīng)是不