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        磁控等離子體一維射流陣列仿真

        2020-10-13 11:05:40王長全
        綠色科技 2020年16期
        關(guān)鍵詞:磁場

        王長全

        (北京勞動保障職業(yè)學(xué)院 城市安全與應(yīng)急管理系,北京 100029)

        1 引言

        自1996年美國弗吉尼亞老道明大學(xué)的Laroussi博士[1]首次報道用大氣壓放電等離子體射流型等離子體(Atmospheric Plasma Jet, APPJ)殺滅致病細(xì)菌以來,與傳統(tǒng)的氣體放電等離子體相比,APPJ的最大優(yōu)勢是它通過強(qiáng)氣流將等離子體“吹”出放電區(qū),直接噴射在大氣環(huán)境中,使等離子體與高壓電極分離,提高了安全性;同時它還具有放電溫度低,放電裝置靈活,化學(xué)活性可控性好、處理試樣尺寸不受限制等方面的特點,因此在生物醫(yī)療、材料表面改性等方面具有廣闊的應(yīng)用前景[2~3]。但目前研究中采用的射流裝置中產(chǎn)生的等離子體體積較小,其處理面積一般不超過幾平方毫米,小尺度的缺點限制了其工業(yè)應(yīng)用前景。為了產(chǎn)生更適應(yīng)實際應(yīng)用的較大面積的射流源,最近幾年,研究者們對射流放電進(jìn)行大尺度擴(kuò)展,以多個小尺度的射流為基本單元,將它們并聯(lián)排列起來獲得較大面積等離子體,稱為射流陣列[4~9]。

        為了提升其應(yīng)用前景,研究者們都在尋求增強(qiáng)其放電效果的方法。其放電的關(guān)鍵是放電中電場強(qiáng)度的大小。某些研究者[10~12]探索了采用磁場約束的方式提高介質(zhì)阻擋放電等離子體的放電效果。但是,未對磁場對電場強(qiáng)度的影響進(jìn)行定量的分析。此處,利用仿真軟件Ansoft對磁控等離子體一維射流陣列進(jìn)行了建模和仿真,較深入地研究了磁場對射流等離子體陣列極間電壓和電場強(qiáng)度的影響。

        2 一維等離子體射流陣列結(jié)構(gòu)及仿真模型

        2.1 一維等離子體射流陣列結(jié)構(gòu)

        利用單個射流的電極結(jié)構(gòu),將多個點狀的單個射流排列在一條直線上,就構(gòu)成一維線狀排列的一維射流陣列。由5個單元組成的一維射流陣列的結(jié)構(gòu)如圖1所示[4]。

        圖1 一維射流陣列示意

        2.2 一維等離子體射流陣列仿真模型

        為了研究的方便,此處采用銅電極做高壓電極,石英管做阻擋介質(zhì),不銹鋼板做接地電極,用NeFd35永久磁鐵做約束磁場,其內(nèi)徑為30 mm,外徑為40 mm,高度10 mm。所建立的等離子體射流的有限元模型如圖2所示。仿真時,給上電極施加10 kV電壓,下接地電極電壓為0 V。

        圖2 有無磁鐵時的等離子體射流陣列有限元模型

        3 一維等離子體射流陣列仿真結(jié)果及分析

        3.1 磁場對極間電壓分布的影響

        為了分析磁控條件下,磁場對射流陣列電極間電壓的影響,將高壓電極的電壓激勵設(shè)為10 kV,仿真分析了有無磁場時的極間電壓分布情況,仿真結(jié)果如圖3所示。

        圖3 有無磁鐵時的電壓分布比較

        由圖3可以看出,有磁鐵和無磁鐵時,上電極電壓最大值沒有變化,只是極間不同位置的電壓的分布范圍發(fā)生了一定的變化。

        3.2 磁場對極間電場強(qiáng)度分布的影響

        在上電極電壓不不變的情況下,為了分析磁場對射流陣列電極間電場強(qiáng)度的影響,仿真分析了有無磁場時的極間電場強(qiáng)度分布情況,仿真結(jié)果如圖4所示。

        圖4 有無磁鐵時的電場強(qiáng)度分布比較

        從圖4中可以看出,無磁鐵時的電場強(qiáng)度最大值為787330 V/m,而有磁鐵的為1042100 V/m,由于磁場的約束,電場強(qiáng)度提升了32.4%,這說明對于所建立的3個射流單元組成的一維射流陣列,磁場約束的效果比較明顯。

        為了更深入地分析磁場對極間電場強(qiáng)度的影響,此處,也對YZ截面的電場強(qiáng)度進(jìn)行了仿真分析,結(jié)果如圖5所示。

        圖5 有無磁鐵時的YZ截面電場強(qiáng)度分布比較

        由圖5可知,無磁鐵時的電場強(qiáng)度最大值為593530 V/m,有磁場約束的電場強(qiáng)度最大值為836260 V/m,電場強(qiáng)度的提升幅度約為40.9%,這進(jìn)一步說明了,磁場約束可以有效提高等離子體射流陣列的放電效果。

        根據(jù)能量守恒關(guān)系,當(dāng)磁場施加于放電電極之間時,電極之間的電荷收到洛倫茲力的作用,根據(jù)電磁關(guān)系,當(dāng)帶電體受力有某一方向的分量時,則沿該方向的移動將導(dǎo)致電場能量增加,從而導(dǎo)致電場強(qiáng)度增加。

        4 結(jié)語

        通過對有無磁場約束的等離子體一維射流陣列建模與仿真分析,得出以下結(jié)論。

        (1) 磁場不改變高壓電極的電壓幅值,僅改變其分布范圍。

        (2) 磁場約束能有效提升極間電場強(qiáng)度的幅值,說明磁控等離子體射流陣列能有效提升等離子體的放電效果。

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