针电极下大气压脉冲放电模式转换机制模拟研究

There is growing interesting in atmospheric-pressure pulsed discharges with point-to-plane (or point-to-point) electrodes for various potential applications such as material surface modification, pollutant treatment, sterilization and disinfection, etc. Recently, experimental studies have reported several kinds of discharge modes including corona, glow, and spark in atmospheric-pressure pulsed discharge with point electrode, and by varying the discharge parameters the discharge mode would be transformed from one to another. However, due to the limitation of present experimental diagnose technology of atmospheric-pressure pulsed discharge, it is very difficult to obtain the macroscopic plasma parameters such as the spatiotemporal distributions of particle density and electric field as well as more precise discharge parameter range and more detailed discharge characteristics at different discharge modes. Hence it is necessary to further study the atmospheric-pressure pulsed discharges with point electrodes by the way of numerical simulation. In this project, a two-dimensional fluid model is developed to self-consistently solve the continuity equation, momentum equation, and Poisson’s equation to obtain the particle density and electric field. Electron and gas temperature is also calculated. Ghost fluid method is used to deal with the complex point electrode geometry. The dependence of different discharge modes on discharge parameters (such as applied voltage, pin curvature radius, discharge gap, etc.) is presented when the discharge system is stable. By analyzing the spatiotemporal evolutions of charge density, electric field, temperature and other parameters at different discharge modes, the discharge mechanism and characteristics will be investigated. Those results will provide a powerful scientific support not only for the further experimental study but also to meet the future application needs.

针-板（针-针）电极下的大气压脉冲放电在材料表面改性、污染物处理、杀菌消毒等方面具有广泛应用前景。国内外的实验研究表明在针电极下的大气压脉冲放电存在多种放电模式（电晕、辉光、火花等），通过改变放电系统的某些参数可以实现放电模式的转换。然而由于大气压脉冲放电实验诊断技术的限制，使得实验上很难给出宏观等离子体参数（电荷分布、电场分布等），以及各种放电模式更具体的特点和更精确的参数范围，因此需要借助数值模拟手段来实现对针电极下的大气压脉冲放电的深入研究。本项目将采用二维流体模型来自洽的求解连续性方程、动量方程、Poisson方程，并利用Ghost fluid method 处理针电极位型。模拟将给出各种放电模式的参数（脉冲电压、针电极半径、放电间隙等）范围，以及每种放电模式下的粒子密度、电场、温度等参数的时空演化情况，并分析其放电机制和放电特点，为进一步的实验研究及应用提供有力的科学依据。

大气压放电具有活性粒子浓度高、放电温和、不需要真空腔室的特点，因而在材料表面改性、污染物处理、杀菌消毒、生物医学等领域具有重要应用前景。由于针电极的曲率半径小、移动灵活方便，在实验室和工程中也常常采用针电极结构来实现大气压放电。国内外的实验研究表明在针电极下的大气压脉冲放电存在多种放电模式（电晕、辉光、火花等），通过改变放电系统的某些参数可以实现放电模式的转换。然而由于大气压脉冲放电装置的限制以及诊断有难度，使得实验上难以出宏观等离子体参数（电荷分布、电场分布等），以及各种放电模式更具体的特点和更精确的参数范围，因此需要借助数值模拟手段来实现对针电极下的大气压脉冲放电的深入研究。本项目将采用二维流体模型来自洽地求解连续性方程、动量方程、及Poisson方程，和求解Boltzmann方程获得相应反应系数,并利用Ghost fluid method 处理针电极位形。.模拟结果比较了两种放电模式电晕和辉光放电的放电特性。当放电通道导通时，放电由电晕转化为辉光模式，电流会再次升高。通过调整放电参数（脉冲电压、针电极半径、二次电子发射系数等），可以实现放电模式转化。此外，单针放电的处理区域有限，通过将多个电极平行排列成阵列的形式可以有效增加处理区域面积。我们针对多针阵列电极放电也进行了模拟研究。每个针电极都会产生相应的流注放电通道，但会互相影响，尤其是针电极间距较近的时候，同一组多针阵列中，不同的针电极具有不同的放电模式。模拟结果给出了粒子密度、电场、温度等参数的时空演化情况并分析其放电机制和放电特点，为进一步的实验研究及应用提供有力的科学依据。