氣體流速對(duì)等離子體射流影響研究范文

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《成組技術(shù)與生產(chǎn)現(xiàn)代化雜志》2016年第2期

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(guò)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(lái)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(guó)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(lái)仿真分析，并通過(guò)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)60mm的貫通的石英玻璃管，內(nèi)、外直徑分別為8mm和10mm．絕緣介質(zhì)管2為一根一端封口的長(zhǎng)20mm的石英玻璃管，內(nèi)、外直徑分別為2mm和4mm，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．

1．2二維軸對(duì)稱仿真模型

基于圖1所示電極結(jié)構(gòu)，建立了圖2所示的二維軸對(duì)稱模型，A、B、C、D、E構(gòu)成了石英玻璃管的結(jié)構(gòu)．模型尺寸為:A、B標(biāo)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(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，BC=60mm;BE為石英管壁厚，BE=1mm．設(shè)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(shè)置為理想的無(wú)滑移固壁．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)．•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(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(guò)渡態(tài)和湍流．這3種狀態(tài)通常采用雷諾數(shù)(Re)來(lái)區(qū)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(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)，取2．23×10－5kg/(m•s)［8］．當(dāng)Re＜2300時(shí)，氣體流動(dòng)處于層流狀態(tài);當(dāng)2300＜Re＜8000時(shí)，氣體流動(dòng)處于過(guò)渡狀態(tài);當(dāng)Re＞8000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=2300時(shí)，v=3．95m/s;當(dāng)Re=8000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(guò)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(guò)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．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(guò)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(shuō)明了過(guò)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(guò)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)3．95m/s換算為0．72m3/h，13．75m/s換算為3．4m3/h．在實(shí)驗(yàn)中，基于所用電極結(jié)構(gòu)，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(guò)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3．95m/s，即處于層流狀態(tài)時(shí)，產(chǎn)生的射流并不明顯，幾乎無(wú)法肉眼觀測(cè);當(dāng)氣體流速大于3．95m/s且小于13．75m/s，即處于過(guò)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12m/s時(shí)，射流長(zhǎng)度最大，可以達(dá)到5cm;當(dāng)氣體流速大于13．75m/s，即處于湍流狀態(tài)時(shí)，射流尖端分散，長(zhǎng)度有所減?。?/p>

3結(jié)論

針對(duì)所用電極結(jié)構(gòu)，通過(guò)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(guò)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?。虼?，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(guò)渡態(tài)．

參考文獻(xiàn):

［1］金英，錢(qián)沐揚(yáng)．預(yù)電離大氣壓低溫等離子體射流及其在表面清洗中的應(yīng)用［J］．高電壓技術(shù)，2012，38(7):1682-1683．

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

［5］邵先軍，張冠軍．氣體流速對(duì)大氣壓氬氣等離子體射流影響的實(shí)驗(yàn)與仿真［J］．高電壓技術(shù)，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(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，34(7):724-727．

［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．

作者:李作召 張大偉 單位:沈陽(yáng)理工大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院