滑動弧低溫等離子體物理化學特性的數值模擬及實驗研究.pdf

1、滑動弧放電是一種低溫等離子體發(fā)生方式，由于具有較高的能量利用率，并且同時兼具高非平衡度、高電子密度和電子溫度，在環(huán)境化工和能源等領域有廣泛應用前景。大量的工業(yè)應用研究已經嘗試中，但是控制滑動弧等離子體發(fā)展的物理化學機制尚沒有得到準確而系統(tǒng)的描述?；诖吮尘?，本文采用數值模擬并輔助實驗的方法來研究滑動弧放電的物理化學特性，主要研究內容如下：
　　 (1)等離子體的電弧溫度場、電場和導電區(qū)域尺寸是確定電子溫度、電子密度、化學反應速率

2、以及能量效率的重要參數。對氣流量為1.43L/min和6.42L/min時50Hz交流滑動弧放電的電參數進行了測量；用瞬態(tài)的電弧模型描述滑動弧的能量傳遞，并用近似的介質電導率和熱擴散系數對模型進行簡化，解決了由于電弧結構變化所導致的移動邊界問題；模擬求得等離子體的電弧結構、電場強度和動態(tài)溫度場等參數的演化。其中，電弧電場的模擬值與實驗值基本吻合，計算得到電弧軸心溫度可以達到5700～6700K。研究結果表明，氣流直接影響電弧結構和電流密

3、度進而影響電弧電場和溫度分布，在一個放電周期中電場呈先減小后增大的趨勢。
　　 (2)將電弧等離子體瞬態(tài)Elenbaas-Heller模型與麥克斯韋方程組聯立，建立一個描述大氣壓交流滑動弧等離子體放電的非線性模型。通過分析電參數的變化規(guī)律探索交流滑動弧放電的自磁特性。研究結果表明，氣流量的增加會改變自磁場的演化。氣流和自磁場聯合作用決定了弧柱結構的變化。具有較小弧半徑和較大軸向曲率的電弧段的局部磁場強度和自磁壓力會高于其他弧段，

4、這會加劇等離子體放電的不穩(wěn)定性。
　　 (3)滑動弧等離子體的電子溫度、電子密度和非平衡度是表征等離子體熱力學性質的重要參數。根據較高電流時AlⅠ396.1nm的Stark展寬求得電離子體電子密度沿反應器軸線的分布情況；用瞬態(tài)的雙溫度模型描述等離子體放電的能量傳遞。模擬條件下電子密度可以達到1021～1022m-3數量級，電子密度變化情況符合實驗結果；電子溫度在一個放電周期的中間60％時間可以大體保持在1.3～1.8eV，并呈現

5、先減小后增大趨勢，與根據文獻提供的公式的計算結果一致；等離子體的非平衡度和電子溫度與電弧電場強度變化趨勢相似，增大氣流量并不能顯著提高非平衡度。
　　 (4)在假設的溫度分布的基礎上建立一個描述氣液兩相滑動弧反應動力學的數學模型。模擬求得的OH粒子分布規(guī)律符合光譜診斷結果；研究結果表明較高的溫度適于產生OH，并且OH生成量沿反應器軸線有先增大后減小的趨勢；模型能較為準確地預測H2O2和H2的生成量；固定氧氣流量時，增大水流量可以