大气压氮气纳秒脉冲介质阻挡放电的数值模拟研究

摘要

大气压纳秒脉冲放电是近年来兴起的一种新的大气压等离子体放电技术，由于其独特的优势和广阔的应用前景而受到人们格外的关注。研究表明，和交流驱动相比，纳秒脉冲放电产生的大气压等离子体拥有很多诱人的优点，比如，其峰值电流密度、电子密度以及电子产生效率高;产生的活性粒子种类多、数量大、活性强;在对材料表面处理时能达到更好的处理效果和更高的处理效率;产生的等离子体均匀性好、面积大、电子温度高、更加远离平衡态。但是，到目前为止，大气压纳秒脉冲放电的数值模拟研究工作主要在惰性气体和其混合气体中展开，对活性氮气、氧气等分子气体的纳秒脉冲介质阻挡的放电研究比较匮乏，因此，对其详细的报道也就较难见到。在实际工业生产应用中，分子气体放电更具有显著的优势，它们不仅成本低廉，而且能提供实际应用中所需用的数量庞大的等离子体化学种类。遗憾的是，人们针对分子气体纳秒脉冲放电的放电机理、放电模式、以及电参数（重复频率、上升沿和下降沿、脉冲宽度等）对放电效果的影响，研究比较有限，而且非常零散。
　　在本工作中，我们建立了一维自洽的流体力学模型，采用该模型对大气压氮气纳秒脉冲介质阻挡放电(DBD)展开了较为完整的模拟计算研究。研究显示:与正弦电压激发的氮气DBD不同，纳秒脉冲驱动下的氮气DBD在一定范围的参数条件下，放电模式为典型的大气压辉光放电模式;纳秒脉冲驱动的DBD在两次放电过程中都可以形成一个很宽的等离子体区域;两次放电的放电呈现非对称性，第一次放电电流最大时刻电子、离子密度在阴极附近出现一个峰值，而第二次放电电流最大时刻的电子、离子密度在两个电极附近均出现一个峰值;直接碰撞电离起关键性的作用，N2+是放电系统中主要的离子种类。放电参数改变，放电性质也会随之改变。增加电压脉冲的持续时间，二次放电电流密度增大;增加外加脉冲电压的重复频率，一次放电电流密度减小;增加上升沿和下降沿时间，二次放电电流密度减小;增加介电常数，第一次和第二次放电电流密度增大，且第一次放电时延减小。