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《成組技術與生產現代化雜志》2016年第2期

摘要:

為了研究氣體流速對大氣壓低溫氬等離子體射流長度的影響，確定實際應用中最佳射流條件，首先建立二維軸對稱模型，進行數值仿真，然后根據仿真結果進行了實驗研究．實驗結果與仿真結果基本吻合．氣體流動處于層流時，射流幾乎不能被觀察到;氣體流動處于過渡態時，射流比較好，射流長度最長;氣體流動處于湍流狀態時，射流尖端變得不穩定，射流長度有所減小．

關鍵詞:

低溫氬等離子體射流;介質阻擋放電;仿真模型;射流長度;氣體流速換算

大氣壓低溫等離子體射流是近年來新興的研究課題，許多學者和工作人員都對其進行了深入的研究，已經在一些領域里取得了成功，如材料的表面改性，等離子在醫學上的殺菌、消毒等［1-3］．在等離子體實際應用中射流長度是首要考慮的關鍵性參數，國內外學者對射流長度的變化及其機制已經進行了不少研究．Laroussi課題組研究了不同流速下等離子體子彈的運動速度與射流長度［4］;邵先軍等研究了不同氣體流速下，流速與摩爾系數對射流長度的影響［5］;占建英等利用COMSOL軟件，模擬研究了流速、噴口直徑和工作氣體對射流特性的影響．本研究采用與盧新培團隊相似的電極結構［7］，為了更好地從理論層面解釋氣體流速對大氣壓等離子體射流長度的影響，擬建立二維軸對稱模型來仿真分析，并通過大量的實驗研究對仿真結果進行驗證．

1等離子體射流電極結構的二維軸對稱模型仿真

1．1等離子體射流電極結構

本研究采用的電極結構主要包括兩根絕緣介質管、高壓電極和接地電極．高壓電極為一根固定于絕緣介質管2內的細銅絲．絕緣介質管1為一根長60mm的貫通的石英玻璃管，內、外直徑分別為8mm和10mm．絕緣介質管2為一根一端封口的長20mm的石英玻璃管，內、外直徑分別為2mm和4mm，與高壓電極共同固定于絕緣介質管1的中央．接地電極由一段銅箔組成，纏繞在絕緣介質管1的前端外表面．等離子體射流電極結構如圖1所示．

1．2二維軸對稱仿真模型

基于圖1所示電極結構，建立了圖2所示的二維軸對稱模型，A、B、C、D、E構成了石英玻璃管的結構．模型尺寸為:A、B標定了工作氣體入口，且氣體入口的半徑r與圖1噴嘴保持一致，AB=4mm;BC為電極結構長度，BC=60mm;BE為石英管壁厚，BE=1mm．設置外界空間的空氣速度為零，氣體出口壓力為大氣壓，并將噴嘴界面設置為理想的無滑移固壁．實驗建立的仿真模型耦合求解的連續性方程、N－S方程及對流擴散方程分別為式(1)、式(2)和式(3)．•v=0(1)•［μ(v+vT)］+F－=ρ(v•)v(2)D2c－v•c=0(3)式中:ρ為密度;v為氣體速度;μ是動力粘度系數;F為體積力;c為氣體的濃度;D為擴散系數［5］．

1．3仿真分析

根據氣體動力學理論，可將氣體流速分為3種狀態:層流、過渡態和湍流．這3種狀態通常采用雷諾數(Re)來區分．Re=ρvd/μ(4)其中:工作氣體為氬氣，ρ取1．6228kg/m3;v為氣體流速，m/s;d為石英晶體管的管徑d=8×10－3m，μ為運動粘度系數，取2．23×10－5kg/(m•s)［8］．當Re＜2300時，氣體流動處于層流狀態;當2300＜Re＜8000時，氣體流動處于過渡狀態;當Re＞8000時，氣體流動處于湍流狀態［9］．根據公式(4)求得:當Re=2300時，v=3．95m/s;當Re=8000時，v=13．75m/s．根據流體動力學的大量研究，氣體流動處于過渡態時所產生的射流長度為最大值，即射流最大長度在理論上應出現在氬氣流速為3．95m/s至13．75m/s之間．層流氣體流速為3m/s、過渡態氣體流速為10m/s、湍流氣體流速為20m/s和30m/s的仿真結果如圖3所示．根據電極結構建立仿真模型，在設置的邊界條件下仿真，得到以下結論:在層流狀態下，隨氣體流速增大出口氣體的擴散逐漸減小，射流長度隨氣體流速增大而增大;過渡態時出口氣體的流速大于層流狀態，氣流分布更集中，從側面說明了過渡態要大于層流狀態的射流長度;流速增大到湍流時，隨著流速繼續增大，出口氣體的擴散增大，射流長度呈現減小趨勢．

2等離子體射流長度的實驗研究

根據電極結構搭建實驗裝置．本裝置采用正弦交流電源，通過氣體流量計調節氣體流速，射流長度隨氣體流速變化(圖4)．由于實驗采用的氣體流量計單位為m3/h，需與仿真采用的單位m/s進行換算，換算公式為質量流量公式，即:M=ρQ=ρvsv=M/(ρs)(5)式中:M為質量流量;Q為體積流量;s為管道截面積．根據式(5)可將仿真中數據3．95m/s換算為0．72m3/h，13．75m/s換算為3．4m3/h．在實驗中，基于所用電極結構，施加電壓的頻率為36kHz、幅值為7kV，接地電極下端距離射流噴嘴為18mm，并通過流量計調節氣體流速．研究發現，當氣體流速小于3．95m/s，即處于層流狀態時，產生的射流并不明顯，幾乎無法肉眼觀測;當氣體流速大于3．95m/s且小于13．75m/s，即處于過渡態時，產生的射流明顯且長度隨氣體流速的增大而顯著增大，當氣體流量約為12m/s時，射流長度最大，可以達到5cm;當氣體流速大于13．75m/s，即處于湍流狀態時，射流尖端分散，長度有所減?。?/p>

3結論

針對所用電極結構，通過仿真與實驗相結合的方法研究分析了氣體流速對等離子體射流長度的影響，研究表明實驗結果與仿真結果基本吻合．氣體流速的大小對射流長度有顯著的影響:當氣體流速較小時射流不是很明顯;增大氣體流速到過渡態時產生的射流比較明顯且長度增大;當氣體流速進一步增大到湍流狀態時，雖然能產生明顯的射流，但此時的射流并不是很穩定，射流長度有所減?。虼?，在實際應用中，要想獲得長度較長且工作穩定的等離子體射流，應該將氣體流速調節在過渡態．

參考文獻:

［1］金英，錢沐揚．預電離大氣壓低溫等離子體射流及其在表面清洗中的應用［J］．高電壓技術，2012，38(7):1682-1683．

［3］石興民，張冠軍，徐桂敏．等離子體射流對醫療器械的消毒效果研究［J］．高電壓技術，2009，35(3):632-635．

［5］邵先軍，張冠軍．氣體流速對大氣壓氬氣等離子體射流影響的實驗與仿真［J］．高電壓技術，2011，37(6):1499-1503．

［6］占建英，楊蘭蘭．大氣壓低溫等離子體射流器件層流特性的模擬研究［J］．真空科學與技術學報，2014，34(7):724-727．

［8］王福軍．計算流體動力學分析－CFD軟件原理與應用［M］．北京:清華大學出版社，2004．

作者:李作召 張大偉 單位:沈陽理工大學自動化與電氣工程學院