亚临界高气压微波放电数值和实验研究

Modeling and numerical simulation are the most important ways to understand the mechanism of high pressure microwave discharge. However, in the prior art, against to subcritical microwave discharge, almost all the modeling and numerical study is carried out for the overcritical microwave discharge. This research work is intended to study the basic physical processes and the interactions between the basic physical processes in subcritical microwave discharge in modeling, numerical simulation and experimental ways. The research work is helpful for illustrating the action mechanism of gas heating, understanding the complex and non-linear interactions between incident wave filed, charged particle transport, and self-consistent fields in subcritical microwave discharge, and also has much significance in understanding the dynamics of the discharge plasma and its self-organized filamentary structure. With the accomplishment of this research work, a research system will be established for subcritical high pressure microwave discharge, and the study will give theoretical basis and technical support for the application of subcritical high pressure microwave discharge in combustion and flow control, etc..

亚临界高气压微波放电的数值和实验研究对于理解其放电机理，掌握其放电特性，有重要的科学意义，并可为评估其在燃烧和流动控制等领域的应用潜力提供重要参考。然而，目前高气压微波放电的相关研究，大都针对超临界放电开展，对亚临界放电则极少涉及。本申请旨在通过对亚临界高气压微波放电的建模、数值模拟和实验研究，探索亚临界微波放电中的基本物理过程以及基本物理过程之间的相互作用机理。项目研究对于阐明亚临界高气压微波放电中气体加热效应的作用机制，理解其放电过程中入射电磁波、带电粒子输运以及自洽场之间的复杂非线性相互作用，掌握其等离子体动力学特性，揭示其放电结构形成和发展的规律，有重要意义。项目的特色和创新之处在于将建模、数值模拟和验证实验有机结合，建立比较完整的亚临界高气压微波放电研究体系，研究成果可为亚临界高气压微波放电在燃烧和流动控制等诸多领域的应用提供理论基础和技术指导。

亚临界高气压微波放电过程中各种物理因素间复杂的相互作用，对这些相互作用的新认识，能极大的推动气体放电在诸多工业和生活领域的应用，其中包括能源、照明、材料处理、精密加工、航空宇航推进等。本项目采用理论和实验相结合的方法研究了亚临界高气压微波放电等离子体的动力学特性及其放电结构形成和发展的规律，开展了以下三个方面的工作: （1）从描述了粒子速度分布函数演变过程的Boltzmann方程出发，建立了亚临界高气压微波放电等离子体建模，并开发模拟源程序；（2）采用所建模型及模拟程序对亚临界高气压微波放电等离子体的动力学过程进行了数值研究；（3）设计搭建了亚临界高气压微波放电实验研究平台，并开展了实验研究。通过上述研究的开展（1）明晰亚临界高气压微波放电过程中入射微波与放电等离子体的相互作用机理；（2）掌握亚临界高气压微波放电等离子体动力学特性及丝状放电结构的形成和演变规律；（3）掌握了金属启动振子对高气压微波放电等离子体动力学的影响规律。项目研究得到主要结论为：（1）高气压微波放电等离子体前沿的快速传播是基于一种扩散-反应机理，其传播速度可达几十km/s；（2）亚临界高气压微波放电能够启动的原因是金属启动振子对微波辐射电场有局部增强效果，使得在振子两端的微波有效电场大于临界击穿场强；（3）亚临界高气压微波放电的放电区域局限在在放电启动振子的毗邻区域，而不会向微波入射方向大范围传播；（4）在气体加热效应的作用下，亚临界高气压微波放电等离子体流注会发生相互交联，其核心区域温度可达2000K；（5）金属启动振子启动放电的能力主要取决于振子相对于入射波长的长度，而振子直径对启动能力影响不大。项目研究解决了亚临界高气压微波放电的动力学建模问题，提高了对高气压微波放电放电机理及其放电等离子体流注结构形成和发展规律的认识。