大气压冷等离子体管内传播及射流特性实验研究

摘要

由于在环境、材料处理、生物医学、能源领域的巨大应用前景，大气压冷等离子体射流已经成为了等离子体领域的一个新的研究热点。而作为一种气体流动与放电紧密结合的等离子体产生方式，人们以往总是更多的关注于光电参数与射流特性的关系，因而忽视了气体流动对于等离子体的影响。但从流动传热的视角出发，大气压冷等离子体射流的传播过程，同样可以视为等离子体态物质（即电离气体）的管道流动问题。而电离气体在传播过程中的流态转变以及与外部环境的能量交换等等问题同样不可忽视并值得深入的研究。
　　本研究主要内容包括：⑴研究了管道内气体的流动对冷等离子体射流传播特性的影响。对比上下游等离子体特性随氩气流量的变化，证实了气流对于等离子体中活性粒子的输运作用。此外，通过改变射流出口处环境气体的组分，探讨了工质气体流场和浓度场的变化对喷出管口的射流长度的影响规律。结果显示，工质气体的流场控制着等离子体的传播方向，而其浓度场则主导了射流的传播距离。⑵研究了管道材料以及壁面温度对冷等离子体射流传播特性的影响。对比等离子体射流在玻璃和陶瓷管中的物理特性之后发现，随着气体流量的变化，在射流长度几乎不变的情况下，其体积却表现出了明显的差异，而材料导热系数以及“浅位阱”数量的差异则很有可能是造成这一结果的主要影响因素。另外，在提高壁面温度之后，等离子体射流的长度在层流、过渡以及湍流的部分区域内都有着明显的增加，同时过渡区出现了向低流量区以及高流量区的拓展。分析后认为，由壁温升高引起的工质气体流速的增加以及热扩散作用的加剧是过渡区向低流量方向拓展的主要原因，而工质气体粘度的变化则是过渡区向高流量方向拓展的主导因素。⑶研究了管外环境对冷等离子体射流传播特性的影响。当环境介质由空气变换为四氯化碳、无水乙醇以及蒸馏水三种液相介质时，等离子体的放电电流以及“子弹”的速度都随之出现了明显的增长，而分子的极性效应则是引起这一系列变化的主要原因。同时，不同极性的分子对等离子体特性的影响机制也并不相同。针对于非极性分子（如四氯化碳），电子位移极化是其发挥作用的主要方式；而针对于极性分子（如无水乙醇以及蒸馏水），除电子位移极化外，取向极化则成为了其主要的作用方式。此外，通过蒸馏水以及接地电极的配合，发现了大气压下冷等离子体射流的不连续传播现象。分析后表明，这一现象是由蒸馏水的强极性、接地电极对电场的强约束（或一个足够强的电场）以及活性粒子的输运三者共同作用的结果。⑷提出了一种新型的针-针悬浮电极结构的等离子体辅助燃烧装置，同时利用此装置分别研究了射流等离子体对于甲烷/空气预混火焰以及甲烷扩散火焰的影响，并探讨了其内在的作用机制。针对于富油情况下的层流预混燃烧过程，等离子体的注入能够有效的提高火焰的传播速度，而随着氩气流量的增加，燃烧过程则会在相同电压下获得更大的收益。而对于湍流扩散火焰中的滞后现象，等离子体的注入使得火焰更加倾向于保持在吸附状态，并且随着放电电压以及注入氩气流量的增加，火焰稳定性则会出现先增强后减弱的趋势。但无论是对于预混火焰还是扩散火焰而言，等离子体总是更容易在火焰处于非稳态或者临界状态时发挥更大的作用，所以相比于增强燃烧，等离子体总能在提高火焰稳定性上产生更加明显的效果。

目录

符号表

第1章 绪论

1.1等离子体的定义及基本性质

1.2气体放电等离子体

1.3大气压冷等离子体射流的发展及研究现状

1.4本文的研究目的及意义

1.5本文的主要研究内容

第2章 管内流动对冷等离子体射流传播特性的影响

2.1引言

2.2等离子体射流传播过程中的粒子输运作用

2.3工质气体流动对等离子体射流长度的影响

2.4本章小结

第3章 管道壁面对冷等离子体射流传播特性的影响

3.1引言

3.2管道材料对冷等离子体射流传播特性的影响

3.3管壁温度对冷等离子体射流传播过程的影响

3.4本章小结

第4章 管外环境对冷等离子体射流传播特性的影响

4.1引言

4.2环境介质对等离子体射流特性的影响

4.3大气压冷等离子体传播过程中的不连续现象

4.4本章小结

第5章 射流等离子体增强燃烧及火焰稳定性研究

5.1引言

5.2主要实验装置及测量手段

5.3等离子体对甲烷预混火焰的影响

5.4等离子体注入对甲烷扩散火焰的影响

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

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