气体流速对等离子体射流长度的影响

李作召，张大伟

(沈阳理工大学 自动化与电气工程学院，辽宁 沈阳 110159)



气体流速对等离子体射流长度的影响

李作召，张大伟

(沈阳理工大学 自动化与电气工程学院，辽宁 沈阳 110159)

摘要：为了研究气体流速对大气压低温氩等离子体射流长度的影响，确定实际应用中最佳射流条件，首先建立二维轴对称模型，进行数值仿真，然后根据仿真结果进行了实验研究.实验结果与仿真结果基本吻合.气体流动处于层流时，射流几乎不能被观察到；气体流动处于过渡态时，射流比较好，射流长度最长；气体流动处于湍流状态时，射流尖端变得不稳定，射流长度有所减小.

关键词：低温氩等离子体射流；介质阻挡放电；仿真模型；射流长度；气体流速换算

大气压低温等离子体射流是近年来新兴的研究课题，许多学者和工作人员都对其进行了深入的研究，已经在一些领域里取得了成功，如材料的表面改性，等离子在医学上的杀菌、消毒等[1-3].

在等离子体实际应用中射流长度是首要考虑的关键性参数，国内外学者对射流长度的变化及其机制已经进行了不少研究.Laroussi课题组研究了不同流速下等离子体子弹的运动速度与射流长度[4]；邵先军等研究了不同气体流速下，流速与摩尔系数对射流长度的影响[5]；占建英等利用COMSOL软件，模拟研究了流速、喷口直径和工作气体对射流特性的影响.

本研究采用与卢新培团队相似的电极结构[7]，为了更好地从理论层面解释气体流速对大气压等离子体射流长度的影响，拟建立二维轴对称模型来仿真分析，并通过大量的实验研究对仿真结果进行验证.

1等离子体射流电极结构的二维轴对称模型仿真

1.1等离子体射流电极结构

本研究采用的电极结构主要包括两根绝缘介质管、高压电极和接地电极.高压电极为一根固定于绝缘介质管2内的细铜丝.绝缘介质管1为一根长60 mm的贯通的石英玻璃管，内、外直径分别为8 mm和10 mm.绝缘介质管2为一根一端封口的长20 mm的石英玻璃管，内、外直径分别为2 mm和4 mm，与高压电极共同固定于绝缘介质管1的中央.接地电极由一段铜箔组成，缠绕在绝缘介质管1的前端外表面.等离子体射流电极结构如图1所示.

图1　等离子体射流电极结构

1.2二维轴对称仿真模型

图2　电极结构的二维轴对称仿真模型

实验建立的仿真模型耦合求解的连续性方程、N-S方程及对流扩散方程分别为式(1)、式(2)和式(3).

(1)

(2)

D2c-v·c=0

(3)

式中：ρ为密度；v为气体速度；μ是动力粘度系数；F为体积力；c为气体的浓度；D为扩散系数[5].

1.3仿真分析

根据气体动力学理论，可将气体流速分为3种状态：层流、过渡态和湍流.这3种状态通常采用雷诺数(Re)来区分.

Re=ρvd/μ

(4)

其中：工作气体为氩气，ρ取1.622 8kg/m3；v为气体流速，m/s；d为石英晶体管的管径d=8×10-3m，μ为运动粘度系数，取2.23×10-5kg/(m·s)[8].

当Re<2 300时，气体流动处于层流状态；当2 3008 000时，气体流动处于湍流状态[9].根据公式(4)求得：当Re=2 300时，v=3.95m/s；当Re=8 000时，v=13.75m/s.根据流体动力学的大量研究，气体流动处于过渡态时所产生的射流长度为最大值，即射流最大长度在理论上应出现在氩气流速为3.95m/s至13.75m/s之间.层流气体流速为3m/s、过渡态气体流速为10m/s、湍流气体流速为20m/s和30m/s的仿真结果如图3所示.

图3　氩气不同流速时的速度分布

根据电极结构建立仿真模型，在设置的边界条件下仿真，得到以下结论：在层流状态下，随气体流速增大出口气体的扩散逐渐减小，射流长度随气体流速增大而增大；过渡态时出口气体的流速大于层流状态，气流分布更集中，从侧面说明了过渡态要大于层流状态的射流长度；流速增大到湍流时，随着流速继续增大，出口气体的扩散增大，射流长度呈现减小趋势.

2等离子体射流长度的实验研究

根据电极结构搭建实验装置.本装置采用正弦交流电源，通过气体流量计调节气体流速，射流长度随气体流速变化(图4).由于实验采用的气体流量计单位为m3/h，需与仿真采用的单位m/s进行换算，换算公式为质量流量公式，即：

M=ρQ=ρvs⟹v=M/(ρs)

(5)

式中：M为质量流量；Q为体积流量；s为管道截面积.根据式(5)可将仿真中数据3.95 m/s换算为0.72 m3/h，13.75 m/s换算为3.4 m3/h.

图4　射流长度随气体流速的变化

在实验中，基于所用电极结构，施加电压的频率为36 kHz、幅值为7 kV，接地电极下端距离射流喷嘴为18 mm，并通过流量计调节气体流速.研究发现，当气体流速小于3.95 m/s，即处于层流状态时，产生的射流并不明显，几乎无法肉眼观测；当气体流速大于3.95 m/s且小于13.75 m/s，即处于过渡态时，产生的射流明显且长度随气体流速的增大而显著增大，当气体流量约为12 m/s时，射流长度最大，可以达到5 cm；当气体流速大于13.75 m/s，即处于湍流状态时，射流尖端分散，长度有所减小.

3结论

针对所用电极结构，通过仿真与实验相结合的方法研究分析了气体流速对等离子体射流长度的影响，研究表明实验结果与仿真结果基本吻合.

气体流速的大小对射流长度有显著的影响：当气体流速较小时射流不是很明显；增大气体流速到过渡态时产生的射流比较明显且长度增大；当气体流速进一步增大到湍流状态时，虽然能产生明显的射流，但此时的射流并不是很稳定，射流长度有所减小.因此，在实际应用中，要想获得长度较长且工作稳定的等离子体射流，应该将气体流速调节在过渡态.

参考文献:

[1]金英，钱沐扬.预电离大气压低温等离子体射流及其在表面清洗中的应用[J].高电压技术，2012，38(7)：1682-1683.

[2]Sameer Kalghatgi，Gregory Fridman,et al.Mechanism of blood coagulation by non-thermal atmospheric pressure dielectric barrier discharge[J].IEEE International Conference on Plasma Science,2007，35(5)：1559-1566.

[3]石兴民，张冠军，徐桂敏.等离子体射流对医疗器械的消毒效果研究[J].高电压技术，2009，35(3)：632-635.

[4]Mericam-Bourdet N，Laroussi M，Begum A. Experimental investigations of plasma bullets[J]. Journal of Physics D：Applied Physics，2009，42(5)：1-7.

[5]邵先军，张冠军.气体流速对大气压氩气等离子体射流影响的实验与仿真[J].高电压技术，2011，37(6)：1499-1503.

[6]占建英，杨兰兰.大气压低温等离子体射流器件层流特性的模拟研究[J].真空科学与技术学报，2014，34(7)：724-727.

[7]Lu Xinpei，Jiang Zhonghe，Xiong Qing,et al. An 11cm long atmospheric pressure cold plasma plume for applications of plasma medicine[J]. Applied Physics Letters，2008，92(8)：081502-081502-2.

[8]王福军. 计算流体动力学分析-CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

[9]Wang Xinyue. Foundation of aerodynamics[M]. Xi'an，China：Northwestern Polytechnical University Press，2008：81-82.

The Influence of Gas Flow Rate on the Length of Plasma Jet

LI Zuo-zhao, ZHANG Da-wei

(School of Automation and Electrical Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang 110159, China)

Abstract：In order to study the influence of gas flow rate on the length of atmospheric pressure low temperature argon plasma jet and determine the optimum jet condition in practical application，the numerical simulation is carried out firstly by establishing a two-dimensional axisymmetric model, and then experimental study is carried out according to the simulation results. The research shows that the experimental results are in agreement with the simulation results. When gas flow is in laminar flow, the plasma jet can hardly be observed. When gas flow is in the transition state, the jet is better and the length of the jet is the longest. When gas flow is in the turbulent state, the jet tip becomes unstable and the length of the jet is reduced.

Key words:low temperature argon plasma jet; dielectric barrier discharge; simulation model; the length of plasma jet; gas flow rate conversion

doi:10.3969/j.issn.1006-3269.2016.01.012

中图分类号：TM89

文献标识码：A

文章编号：1006-3269(2016)01-0060-03

作者简介：李作召(1988-)，男，山东泰安人，硕士研究生，研究方向为系统建模与优化控制、高电压脉冲功率技术.

收稿日期：2015-11-09