氣體流速對(duì)等離子體射流長(zhǎng)度的影響

李作召，張大偉

(沈陽理工大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159)

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氣體流速對(duì)等離子體射流長(zhǎng)度的影響

李作召，張大偉

(沈陽理工大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159)

摘要：為了研究氣體流速對(duì)大氣壓低溫氬等離子體射流長(zhǎng)度的影響，確定實(shí)際應(yīng)用中最佳射流條件，首先建立二維軸對(duì)稱模型，進(jìn)行數(shù)值仿真，然后根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合.氣體流動(dòng)處于層流時(shí)，射流幾乎不能被觀察到；氣體流動(dòng)處于過渡態(tài)時(shí)，射流比較好，射流長(zhǎng)度最長(zhǎng)；氣體流動(dòng)處于湍流狀態(tài)時(shí)，射流尖端變得不穩(wěn)定，射流長(zhǎng)度有所減小.

關(guān)鍵詞：低溫氬等離子體射流；介質(zhì)阻擋放電；仿真模型；射流長(zhǎng)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(xué)者和工作人員都對(duì)其進(jìn)行了深入的研究，已經(jīng)在一些領(lǐng)域里取得了成功，如材料的表面改性，等離子在醫(yī)學(xué)上的殺菌、消毒等[1-3].

在等離子體實(shí)際應(yīng)用中射流長(zhǎng)度是首要考慮的關(guān)鍵性參數(shù)，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)射流長(zhǎng)度的變化及其機(jī)制已經(jīng)進(jìn)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(yùn)動(dòng)速度與射流長(zhǎng)度[4]；邵先軍等研究了不同氣體流速下，流速與摩爾系數(shù)對(duì)射流長(zhǎng)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(duì)射流特性的影響.

本研究采用與盧新培團(tuán)隊(duì)相似的電極結(jié)構(gòu)[7]，為了更好地從理論層面解釋氣體流速對(duì)大氣壓等離子體射流長(zhǎng)度的影響，擬建立二維軸對(duì)稱模型來仿真分析，并通過大量的實(shí)驗(yàn)研究對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證.

1等離子體射流電極結(jié)構(gòu)的二維軸對(duì)稱模型仿真

1.1等離子體射流電極結(jié)構(gòu)

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

圖1　等離子體射流電極結(jié)構(gòu)

1.2二維軸對(duì)稱仿真模型

圖2　電極結(jié)構(gòu)的二維軸對(duì)稱仿真模型

實(shí)驗(yàn)建立的仿真模型耦合求解的連續(xù)性方程、N-S方程及對(duì)流擴(kuò)散方程分別為式(1)、式(2)和式(3).

(1)

(2)

D2c-v·c=0

(3)

式中：ρ為密度；v為氣體速度；μ是動(dòng)力粘度系數(shù)；F為體積力；c為氣體的濃度；D為擴(kuò)散系數(shù)[5].

1.3仿真分析

根據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)理論，可將氣體流速分為3種狀態(tài)：層流、過渡態(tài)和湍流.這3種狀態(tài)通常采用雷諾數(shù)(Re)來區(qū)分.

Re=ρvd/μ

(4)

其中：工作氣體為氬氣，ρ取1.622 8kg/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(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)，取2.23×10-5kg/(m·s)[8].

當(dāng)Re<2 300時(shí)，氣體流動(dòng)處于層流狀態(tài)；當(dāng)2 3008 000時(shí)，氣體流動(dòng)處于湍流狀態(tài)[9].根據(jù)公式(4)求得：當(dāng)Re=2 300時(shí)，v=3.95m/s；當(dāng)Re=8 000時(shí)，v=13.75m/s.根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)的大量研究，氣體流動(dòng)處于過渡態(tài)時(shí)所產(chǎn)生的射流長(zhǎng)度為最大值，即射流最大長(zhǎng)度在理論上應(yīng)出現(xiàn)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(tài)氣體流速為10m/s、湍流氣體流速為20m/s和30m/s的仿真結(jié)果如圖3所示.

圖3　氬氣不同流速時(shí)的速度分布

根據(jù)電極結(jié)構(gòu)建立仿真模型，在設(shè)置的邊界條件下仿真，得到以下結(jié)論：在層流狀態(tài)下，隨氣體流速增大出口氣體的擴(kuò)散逐漸減小，射流長(zhǎng)度隨氣體流速增大而增大；過渡態(tài)時(shí)出口氣體的流速大于層流狀態(tài)，氣流分布更集中，從側(cè)面說明了過渡態(tài)要大于層流狀態(tài)的射流長(zhǎng)度；流速增大到湍流時(shí)，隨著流速繼續(xù)增大，出口氣體的擴(kuò)散增大，射流長(zhǎng)度呈現(xiàn)減小趨勢(shì).

2等離子體射流長(zhǎng)度的實(shí)驗(yàn)研究

根據(jù)電極結(jié)構(gòu)搭建實(shí)驗(yàn)裝置.本裝置采用正弦交流電源，通過氣體流量計(jì)調(diào)節(jié)氣體流速，射流長(zhǎng)度隨氣體流速變化(圖4).由于實(shí)驗(yàn)采用的氣體流量計(jì)單位為m3/h，需與仿真采用的單位m/s進(jìn)行換算，換算公式為質(zhì)量流量公式，即：

M=ρQ=ρvs?v=M/(ρs)

(5)

式中：M為質(zhì)量流量；Q為體積流量；s為管道截面積.根據(jù)式(5)可將仿真中數(shù)據(jù)3.95 m/s換算為0.72 m3/h，13.75 m/s換算為3.4 m3/h.

圖4　射流長(zhǎng)度隨氣體流速的變化

在實(shí)驗(yàn)中，基于所用電極結(jié)構(gòu)，施加電壓的頻率為36 kHz、幅值為7 kV，接地電極下端距離射流噴嘴為18 mm，并通過流量計(jì)調(diào)節(jié)氣體流速.研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣體流速小于3.95 m/s，即處于層流狀態(tài)時(shí)，產(chǎn)生的射流并不明顯，幾乎無法肉眼觀測(cè)；當(dāng)氣體流速大于3.95 m/s且小于13.75 m/s，即處于過渡態(tài)時(shí)，產(chǎn)生的射流明顯且長(zhǎng)度隨氣體流速的增大而顯著增大，當(dāng)氣體流量約為12 m/s時(shí)，射流長(zhǎng)度最大，可以達(dá)到5 cm；當(dāng)氣體流速大于13.75 m/s，即處于湍流狀態(tài)時(shí)，射流尖端分散，長(zhǎng)度有所減小.

3結(jié)論

針對(duì)所用電極結(jié)構(gòu)，通過仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法研究分析了氣體流速對(duì)等離子體射流長(zhǎng)度的影響，研究表明實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合.

氣體流速的大小對(duì)射流長(zhǎng)度有顯著的影響：當(dāng)氣體流速較小時(shí)射流不是很明顯；增大氣體流速到過渡態(tài)時(shí)產(chǎn)生的射流比較明顯且長(zhǎng)度增大；當(dāng)氣體流速進(jìn)一步增大到湍流狀態(tài)時(shí)，雖然能產(chǎn)生明顯的射流，但此時(shí)的射流并不是很穩(wěn)定，射流長(zhǎng)度有所減小.因此，在實(shí)際應(yīng)用中，要想獲得長(zhǎng)度較長(zhǎng)且工作穩(wěn)定的等離子體射流，應(yīng)該將氣體流速調(diào)節(jié)在過渡態(tài).

參考文獻(xiàn):

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[8]王福軍. 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析-CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)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

中圖分類號(hào)：TM89

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-3269(2016)01-0060-03

作者簡(jiǎn)介：李作召(1988-)，男，山東泰安人，碩士研究生，研究方向?yàn)橄到y(tǒng)建模與優(yōu)化控制、高電壓脈沖功率技術(shù).

收稿日期：2015-11-09