基于流体模型的大气压非热等离子体应用基础研究

论文摘要

基于等离子体射流和介质阻挡放电技术的快速发展,近年来大气压非热等离子体在生物医学以及催化合成等领域获得了广泛应用。然而由于实验诊断技术的局限,目前该领域仍尚未完全掌握微等离子体射流活性粒子产生机制、微尺度下介质阻挡放电同细菌生物膜的作用规律以及等离子体协同催化的微观机理。针对上述问题,本文采用二维大气压非热等离子体流体模型,通过对等离子体发展过程开展一系列高时间-空间分辨研究,揭示了微尺度下等离子体的产生机理、及其同处理对象的作用规律,为大气压非热等离子体的应用发展提供了理论指导。本文的主要工作如下:1)基于二维微等离子体射流模型,发现了管径通过影响击穿电压,进而影响流注内部活性粒子产生的机制。管径对击穿电压的影响机制是:管径的减小导致电子壁耗的增大,进而减小了预击穿电子密度,使得击穿电压必须增大,以维持雪崩-流注转换。击穿电压的提高增强了等离子体的功率注入,导致了更强的电离和激发过程,使得活性粒子的密度呈现数量级的升高。2)基于二维空气介质阻挡放电模型,研究了流注放电与水果表面细菌生物膜的微观作用过程。流注头部与生物膜之间的电压降会导致生物膜表面形成预电离,进而加速流注推进过程。流注在生物膜表面产生的强电场、离子通量密度差以及极高的活性粒子通量能够促使生物膜发生结构损伤以及脂质氧化反应,促使生物膜破裂,从而杀灭细菌。同时由于该流注放电中带电粒子的平均自由程在微米尺度,因而等离子体能够深入生物膜内部的空腔中。数据分析表明等离子体中大部分活性粒子的峰值密度均位于空腔中,因而能够有效的杀灭生物膜底层细菌。进一步模拟研究双流注处理三个细菌生物膜的过程,结果表明流注之间存在协同作用,不但能够增加处理面积,而且能够提高空腔中的活性粒子密度。3)基于复杂几何结构下的填充床介质阻挡放电（PB-DBD）反应器模型,分析了纳秒脉冲等离子体催化干重整（CH4和CO2）的放电特性,转化率和能量效率。在脉冲内,等离子体在催化珠间的内层间隙中以表面电离波和丝状微放电相结合的方式推进;在催化珠与介质管的外层间隙中,等离子体以负流注的形式推进,最后转化为强辉光放电。在脉冲内,瞬时高功率的能量注入使得电子加热驱动内外间隙放电迅速发展,并决定了电子碰撞分解主导CO和H2产生的规律。在脉冲间隙,极低的占空比有效降低了气体温度,进而减弱CO和O的复合,最终提高了纳秒脉冲PB-DBD的转化率。瞬时高功率和低占空比是纳秒脉冲PB-DBD高转化率和高能量效率的主要原因。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
•   1.1 大气压非热等离子体
•   1.2 大气压非热等离子体在生物医学和催化合成领域的应用
•   1.3 大气压非热等离子体仿真研究现状和研究意义
•   1.4 本论文的研究内容及创新点
• 2 等离子体建模方法及理论
•   2.1 维数、几何与网格
•   2.2 方程、反应与边界
•   2.3 有限元方法
•   2.4 大气压非热等离子体建模基本步骤
•   2.5 本章小结
• 3 管径对流注活性粒子产生的影响研究
•   3.1 数值模型与方法
•   3.2 结果与分析
•   3.3 本章小结
• 4 流注放电处理水果表面细菌生物膜的仿真研究
•   4.1 数值模型与方法
•   4.2 结果与分析
•   4.3 本章小结
• 5 PB-DBD等离子体催化干重整的仿真研究
•   5.1 数值模型与方法
•   5.2 结果与分析
•   5.3 本章小结
• 6 总结与展望
•   6.1 本文工作总结
•   6.2 下一步工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读博士学位期间发表的主要论文

文章来源

类型: 博士论文

作者: 程鹤

导师: 刘大伟

关键词: 大气压非热等离子体,流注放电,大气压等离子体射流,介质阻挡放电,细菌生物膜,等离子体催化,流体模型

来源: 华中科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 华中科技大学

分类号: O53

DOI: 10.27157/d.cnki.ghzku.2019.004840

总页数: 136

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