滑動(dòng)弧低溫等離子體物理化學(xué)特性的數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、滑動(dòng)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(shí)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(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景。大量的工業(yè)應(yīng)用研究已經(jīng)嘗試中，但是控制滑動(dòng)弧等離子體發(fā)展的物理化學(xué)機(jī)制尚沒有得到準(zhǔn)確而系統(tǒng)的描述?；诖吮尘埃疚牟捎脭?shù)值模擬并輔助實(shí)驗(yàn)的方法來研究滑動(dòng)弧放電的物理化學(xué)特性，主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　 (1)等離子體的電弧溫度場(chǎng)、電場(chǎng)和導(dǎo)電區(qū)域尺寸是確定電子溫度、電子密度、化學(xué)反應(yīng)速率

2、以及能量效率的重要參數(shù)。對(duì)氣流量為1.43L/min和6.42L/min時(shí)50Hz交流滑動(dòng)弧放電的電參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量；用瞬態(tài)的電弧模型描述滑動(dòng)弧的能量傳遞，并用近似的介質(zhì)電導(dǎo)率和熱擴(kuò)散系數(shù)對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，解決了由于電弧結(jié)構(gòu)變化所導(dǎo)致的移動(dòng)邊界問題；模擬求得等離子體的電弧結(jié)構(gòu)、電場(chǎng)強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)等參數(shù)的演化。其中，電弧電場(chǎng)的模擬值與實(shí)驗(yàn)值基本吻合，計(jì)算得到電弧軸心溫度可以達(dá)到5700～6700K。研究結(jié)果表明，氣流直接影響電弧結(jié)構(gòu)和電流密

3、度進(jìn)而影響電弧電場(chǎng)和溫度分布，在一個(gè)放電周期中電場(chǎng)呈先減小后增大的趨勢(shì)。
　　 (2)將電弧等離子體瞬態(tài)Elenbaas-Heller模型與麥克斯韋方程組聯(lián)立，建立一個(gè)描述大氣壓交流滑動(dòng)弧等離子體放電的非線性模型。通過分析電參數(shù)的變化規(guī)律探索交流滑動(dòng)弧放電的自磁特性。研究結(jié)果表明，氣流量的增加會(huì)改變自磁場(chǎng)的演化。氣流和自磁場(chǎng)聯(lián)合作用決定了弧柱結(jié)構(gòu)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(chǎng)強(qiáng)度和自磁壓力會(huì)高于其他弧段，

4、這會(huì)加劇等離子體放電的不穩(wěn)定性。
　　 (3)滑動(dòng)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(xué)性質(zhì)的重要參數(shù)。根據(jù)較高電流時(shí)AlⅠ396.1nm的Stark展寬求得電離子體電子密度沿反應(yīng)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(dá)到1021～1022m-3數(shù)量級(jí)，電子密度變化情況符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果；電子溫度在一個(gè)放電周期的中間60％時(shí)間可以大體保持在1.3～1.8eV，并呈現(xiàn)

5、先減小后增大趨勢(shì)，與根據(jù)文獻(xiàn)提供的公式的計(jì)算結(jié)果一致；等離子體的非平衡度和電子溫度與電弧電場(chǎng)強(qiáng)度變化趨勢(shì)相似，增大氣流量并不能顯著提高非平衡度。
　　 (4)在假設(shè)的溫度分布的基礎(chǔ)上建立一個(gè)描述氣液兩相滑動(dòng)弧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的數(shù)學(xué)模型。模擬求得的OH粒子分布規(guī)律符合光譜診斷結(jié)果；研究結(jié)果表明較高的溫度適于產(chǎn)生OH，并且OH生成量沿反應(yīng)器軸線有先增大后減小的趨勢(shì)；模型能較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)H2O2和H2的生成量；固定氧氣流量時(shí)，增大水流量可以