脉冲介质阻挡放电臭氧产生的动力学模拟

摘要

臭氧由于强氧化性且利用后无有害的二次产物产生，已广泛应用于工业的各个领域。但由于其产率极低，从而限制了臭氧技术在许多方面的应用。为此，降低臭氧产生能耗已是国内外学者面临的巨大挑战。本文分别对氧气源与空气源下，平板脉冲介质阻挡放电产臭氧进行数值模拟，研究其粒子与流光的时空分布，为提高臭氧产率和后续购置实验设备进行检测提供一定指导。具体如下：
　　（1）以平板介质阻挡放电臭氧发生器结构为基础，简化并建立放电区域，划分适当的网格，引入电子能量密度守恒方程建立合适的数学模型，分别选取氧气源与空气源下产臭氧的重要化学反应式建立动力学模型进行计算。将模拟所得臭氧浓度随脉冲峰值电压的变化曲线与实验结果比较，证明模型的正确性。
　　（2）在脉冲峰值电压为9kV时，氧气源下放电中主要存在的正离子、负离子和激发态粒子分别为O2+、O3-和O2(1Σ+ g)；得到脉冲上升率的提高有利于臭氧的产生。空气源下放电中主要存在的正离子、负离子和激发态粒子分别为O2+、O3-和O2(1△g)；臭氧密度达到峰值时其值约为2.38×1021m-3；N2O是主要的氮氧化物粒子。并与其它论文相比较，进一步证明本文模型的正确性。
　　（3）在电子雪崩达到一定程度即将转化成流光的时刻，氧气源与空气源下，电子密度在阳极区域呈指数型增长，其它带电粒子的空间分布与电子的空间分布类似，而在阳极区域粒子密度的震荡是由于电子与重粒子碰撞消耗能量，需要一定的弛豫时间得到足够的能量进行下一次的能量传递。
　　（4）随着电子雪崩的发展，放电间隙阳极出现流光并向阴极发展，得到氧气源下流光传播速度为5.56×104m/s；空气源下流光传播速度为5.26×104m/s。
　　（5）分析主要粒子在流光传播时的空间分布。氧气源下主要粒子（e、O2+、O、O3）密度在流光头处持续增大；电离与激发反应随着流光的发展而逐渐加剧， O2+、O和O3粒子密度在放电空间整体呈上升趋势。空气源下主要粒子（e、O2+、N2+、O、O3、N2(A3Σ)和N2O）随着流光的传播开始向阴极发展；且在流光传播结束阶段，e和 N2+粒子最大值出现在流光头处；O2+、O、O3、N2(A3Σ)和 N2O粒子的密度最大值出现在阳极附近。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 气体放电产臭氧及其研究进展

1.3 气体放电动力学研究

1.4 本文主要研究内容

第2 章 脉冲介质阻挡放电产臭氧的数值模型

2.1 计算模型

2.2 控制方程

2.3 边界条件

2.4 化学模型

2.5 本章小结

第3章 氧气源脉冲介质阻挡放电产臭氧

3.1 模拟与实验对比分析

3.2 粒子随时间变化

3.3 带电粒子在电子雪崩时刻的空间分布

3.4 流光的发展

3.5 电子随流光的发展

3.6 O2+离子随流光的发展

3.7 O和O3粒子随流光的发展

3.8 本章小结

第4章 空气源脉冲介质阻挡放电产臭氧

4.1 模拟与实验对比分析

4.2 粒子随时间变化

4.3 带电粒子在电子雪崩时刻的空间分布

4.4 流光的发展

4.5 电子随流光的发展

4.6 O2+和N2+离子随流光的发展

4.7 O和O3粒子随流光的发展

4.8 N2(A3Σ)和N2O粒子随流光的发展

4.9 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果