低溫等離子體射流特性的多維度解析與影響因素探究一、引言1.1研究背景與意義低溫等離子體作為物質(zhì)的第四態(tài)，在近年來受到了科學(xué)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。當(dāng)外加電壓達(dá)到氣體的著火電壓時，氣體分子被擊穿，形成包含大量電子、離子、原子和自由基的混合體，即低溫等離子體。與高溫等離子體不同，低溫等離子體中的電子溫度遠(yuǎn)高于離子和中性粒子溫度，這種非熱力學(xué)平衡狀態(tài)賦予了它獨特的物理和化學(xué)性質(zhì)。低溫等離子體射流作為一種新型的等離子體產(chǎn)生技術(shù)，具有諸多優(yōu)勢，使其在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。在材料加工與改性領(lǐng)域，通過低溫等離子體射流處理，能夠在材料表面引入特定的官能團(tuán)，改變材料的表面能，從而顯著提高材料的表面親水能力與表面粘接強(qiáng)度。例如，在聚合物材料表面處理中，氬氣低溫等離子體射流可使聚乙烯薄膜表面產(chǎn)生親水基團(tuán)，大幅減小水接觸角，有效改善材料的表面性能，這對于紡織染色、材料涂層等工藝具有重要意義，能夠提升產(chǎn)品質(zhì)量和性能。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，低溫等離子體射流的應(yīng)用前景也極為廣闊。它可用于醫(yī)療器械的消毒，利用其產(chǎn)生的活性粒子殺滅微生物，相較于傳統(tǒng)消毒方法，具有高效、環(huán)保等優(yōu)點，且不會對器械造成損傷。同時，在促進(jìn)骨骼細(xì)胞再生、治療皮膚疾病等臨床應(yīng)用方面，低溫等離子體射流也展現(xiàn)出獨特的效果。研究表明，通過調(diào)整低溫等離子體射流的參數(shù)，能夠促進(jìn)或抑制細(xì)胞生長，為醫(yī)學(xué)治療提供了新的手段和思路。在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域，低溫等離子體射流在廢氣廢水處理中發(fā)揮著重要作用。對于廢氣處理，它可以通過與廢氣中的污染物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將有害氣體轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)，實現(xiàn)廢氣的凈化。在廢水處理方面，能夠降解水中的有機(jī)污染物，提高水質(zhì)，為解決環(huán)境污染問題提供了新的技術(shù)途徑。盡管低溫等離子體射流在上述領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景，但目前對其流體和放電特性的研究仍存在諸多不足，這在很大程度上限制了該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。深入研究低溫等離子體射流的特性，揭示其物理機(jī)制，對于優(yōu)化等離子體源設(shè)計、提高處理效率、拓展應(yīng)用范圍具有至關(guān)重要的意義。本研究旨在通過實驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，系統(tǒng)地探究低溫等離子體射流的流體和放電特性，為該技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供堅實的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在低溫等離子體射流的流體特性研究方面，國外起步較早，取得了一系列具有開創(chuàng)性的成果。早期，Sakiyama等人通過耦合求解流體動力學(xué)模型與一維流體放電模型，在層流狀態(tài)下，先利用二維圓柱坐標(biāo)求解出He氣流在空氣中的對流和擴(kuò)散情況，隨后在等離子體傳播的截面上運(yùn)用一維流體模型求解等離子體放電，為后續(xù)研究奠定了重要的理論基礎(chǔ)。Karakas運(yùn)用Comsol軟件求解層流下的流體方程與混合氣體對流擴(kuò)散方程，并與實驗結(jié)果進(jìn)行比對，深入研究了He的摩爾分?jǐn)?shù)和等離子體流注傳輸?shù)年P(guān)系，進(jìn)一步加深了對流體特性的理解。國內(nèi)相關(guān)研究近年來也發(fā)展迅速。邵先軍等利用Jets&Poudres軟件耦合求解連續(xù)性方程、N-S方程和混合氣體的組份輸運(yùn)方程等，對Ar氣流在空氣中的流速與摩爾分?jǐn)?shù)分布進(jìn)行了數(shù)值仿真，清晰地揭示了不同工作氣體對射流特性的顯著影響。同時，通過實驗有力地證明了He和ArAPPJ是由不同的放電機(jī)制產(chǎn)生的，明確了APPJ的特性與工作氣體種類的緊密聯(lián)系。在低溫等離子體射流的放電特性研究領(lǐng)域，國外研究人員開展了大量富有成效的工作。通過發(fā)射光譜診斷手段，對不同頻率下的大氣壓射流冷等離子體的電子激發(fā)溫度進(jìn)行了深入研究，利用費米-狄拉克模型進(jìn)行精確計算，發(fā)現(xiàn)不同頻率下的電子激發(fā)溫度在考慮實驗誤差的情況下變化很小，這一發(fā)現(xiàn)對于理解放電過程中的能量傳遞和電子行為具有重要意義。國內(nèi)研究團(tuán)隊也在積極探索，取得了諸多成果。通過改變噴嘴的形狀，成功增大了等離子體處理面積，為提高等離子體射流的應(yīng)用效率提供了新的思路和方法。對大氣壓射流等離子體的放電特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)固定電壓峰值為12kV，電源頻率在2-11kHz之間時，放電主要以絲狀放電為主；而電源頻率在12-16kHz之時，放電主要以“類輝光放電”為主。當(dāng)固定頻率為7kHz改變電壓時，隨著電壓的增加，放電由絲狀放電為主向“類輝光放電”為主轉(zhuǎn)變。盡管國內(nèi)外在低溫等離子體射流的流體和放電特性研究方面取得了顯著進(jìn)展，但仍存在一些不足之處。在流體特性研究中，對于外加電場（特別是外加電壓的頻率、峰值、占空比）與氣流分布如何相互耦合共同決定等離子體射流的傳播，目前尚未完全明確。在放電特性研究中，雖然對不同頻率和電壓下的放電模式有了一定認(rèn)識，但對于放電過程中活性粒子的產(chǎn)生、輸運(yùn)和湮滅機(jī)制，以及它們與材料表面相互作用的微觀過程，還需要進(jìn)一步深入研究。此外，現(xiàn)有的研究大多集中在單一因素對等離子體射流特性的影響，而實際應(yīng)用中往往涉及多個因素的復(fù)雜相互作用，這方面的研究還相對薄弱。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究將圍繞低溫等離子體射流的流體和放電特性展開系統(tǒng)研究，具體內(nèi)容如下：低溫等離子體射流的流體特性研究：利用數(shù)值模擬軟件，建立低溫等離子體射流的流體動力學(xué)模型，深入研究不同工作氣體（如氦氣、氬氣等）在不同流速、噴口直徑等條件下，射流中氣體的流速分布、摩爾分?jǐn)?shù)分布以及溫度分布等特性。通過改變模型參數(shù)，模擬分析這些因素對射流長度、擴(kuò)散范圍等的影響規(guī)律，揭示流體特性與射流傳播之間的內(nèi)在聯(lián)系。低溫等離子體射流的放電特性研究：搭建低溫等離子體射流實驗平臺，采用發(fā)射光譜診斷技術(shù)，測量不同放電參數(shù)（如電壓峰值、頻率、占空比等）下等離子體射流的發(fā)射光譜，進(jìn)而計算電子激發(fā)溫度、電子密度等放電特性參數(shù)。研究放電參數(shù)對放電模式（如絲狀放電、類輝光放電等）的影響，分析放電過程中活性粒子的產(chǎn)生、輸運(yùn)和湮滅機(jī)制。流體與放電特性的耦合研究：考慮流體和放電過程的相互作用，建立耦合模型，研究流體流動對放電過程的影響，以及放電產(chǎn)生的電場、活性粒子等對流體特性的反作用。通過數(shù)值模擬和實驗驗證，深入探討兩者之間的耦合機(jī)制，為全面理解低溫等離子體射流的物理過程提供理論支持。低溫等離子體射流在材料表面處理中的應(yīng)用研究：將低溫等離子體射流應(yīng)用于聚合物材料表面處理，通過水接觸角測量、表面能測試等手段，研究等離子體射流處理前后材料表面性能的變化。分析流體和放電特性對材料表面改性效果的影響，優(yōu)化等離子體射流處理參數(shù)，提高材料表面處理的質(zhì)量和效率。1.3.2研究方法為實現(xiàn)上述研究內(nèi)容，本研究將采用實驗研究與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法：實驗研究：搭建一套完整的低溫等離子體射流實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括等離子體發(fā)生器、電源、氣體供應(yīng)系統(tǒng)、光譜診斷系統(tǒng)以及樣品處理平臺等部分。利用等離子體發(fā)生器產(chǎn)生低溫等離子體射流，通過電源調(diào)節(jié)放電參數(shù)，氣體供應(yīng)系統(tǒng)控制工作氣體的種類和流量。采用光譜診斷系統(tǒng)，如發(fā)射光譜儀，對等離子體射流的放電特性進(jìn)行測量和分析。同時，使用水接觸角測量儀、表面能測試儀等設(shè)備，對經(jīng)過等離子體射流處理后的材料表面性能進(jìn)行表征和分析。數(shù)值模擬：運(yùn)用專業(yè)的數(shù)值模擬軟件，如COMSOLMultiphysics、ANSYSFluent等，建立低溫等離子體射流的物理模型。對于流體特性研究，基于流體動力學(xué)原理，求解連續(xù)性方程、N-S方程以及能量方程等，模擬氣體在射流中的流動行為。對于放電特性研究，采用等離子體物理中的相關(guān)模型，如漂移-擴(kuò)散模型、流體模型等，求解電場、電子密度、離子密度等物理量的分布。在耦合研究中，通過設(shè)置合適的邊界條件和耦合項，實現(xiàn)流體模型和放電模型的相互作用和求解。通過數(shù)值模擬，可以深入分析各種因素對低溫等離子體射流特性的影響，預(yù)測射流的行為，為實驗研究提供理論指導(dǎo)和補(bǔ)充。二、低溫等離子體射流的基本原理2.1低溫等離子體的概念與特性物質(zhì)通常存在固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)三種狀態(tài)，而當(dāng)外加電壓達(dá)到氣體的擊穿電壓時，氣體分子被電離，形成包含大量電子、離子、原子和自由基的混合體，這種狀態(tài)被稱為等離子體，是物質(zhì)的第四態(tài)。低溫等離子體作為等離子體的一種特殊形式，在放電過程中呈現(xiàn)出獨特的性質(zhì)。其電子溫度可高達(dá)上萬度，然而離子和中性粒子的溫度卻能低至室溫，整個體系的表觀溫度較低，因此也被稱作非平衡態(tài)等離子體。從宏觀角度來看，低溫等離子體具有一些顯著特性。首先是準(zhǔn)電中性，盡管其中包含大量帶正電的離子和帶負(fù)電的電子，但總體上正離子和電子的總數(shù)大致相等，使得等離子體在宏觀上呈現(xiàn)電中性。這一特性使得低溫等離子體在許多應(yīng)用中能夠穩(wěn)定存在，例如在材料表面處理過程中，不會因為電荷的大量積累而對處理過程產(chǎn)生干擾。低溫等離子體還具有高活性。等離子體內(nèi)富含大量活性粒子，如離子、電子、激發(fā)態(tài)的原子和分子以及自由基等。這些活性粒子具有較高的化學(xué)活性，能夠參與各種化學(xué)反應(yīng)。在廢氣處理中，活性粒子可以與廢氣中的污染物分子發(fā)生反應(yīng)，將其分解為無害物質(zhì)，實現(xiàn)廢氣的凈化。在材料改性中，活性粒子能夠與材料表面的原子或分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，引入新的官能團(tuán)，從而改變材料的表面性能。此外，低溫等離子體還表現(xiàn)出獨特的光學(xué)性質(zhì)，在放電過程中會發(fā)出特定顏色的光，不同氣體產(chǎn)生的低溫等離子體具有不同的發(fā)光顏色。例如，氦氣等離子體通常呈現(xiàn)出淡粉色，而氬氣等離子體則為藍(lán)紫色。這一特性可用于等離子體的診斷和監(jiān)測，通過觀察等離子體的發(fā)光顏色和強(qiáng)度，能夠獲取等離子體的狀態(tài)信息，如電子密度、溫度等。2.2低溫等離子體射流的產(chǎn)生機(jī)制低溫等離子體射流的產(chǎn)生通常依賴于氣體放電過程，通過外界電場的作用，使氣體分子發(fā)生電離和激發(fā)，從而形成包含大量帶電粒子和活性粒子的等離子體，并以射流的形式噴出。常見的產(chǎn)生方式包括介質(zhì)阻擋放電（DBD）、電暈放電、射頻放電等，其中介質(zhì)阻擋放電在低溫等離子體射流的產(chǎn)生中應(yīng)用較為廣泛。介質(zhì)阻擋放電是一種在放電空間中插入絕緣介質(zhì)的非平衡態(tài)氣體放電方式，其基本原理如下：當(dāng)在兩個電極上施加足夠高的交流電壓時，電極間的氣體被電離。在放電初期，由于電壓較低，氣體中的少量電子在電場作用下獲得能量，與氣體分子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生少量的離子和激發(fā)態(tài)分子。隨著電壓升高，電子獲得的能量增加，碰撞電離過程加劇，電子雪崩現(xiàn)象發(fā)生，使得氣體中的帶電粒子數(shù)量迅速增多。此時，絕緣介質(zhì)的存在起到了關(guān)鍵作用，它限制了放電電流的無限增長，有效抑制了火花放電或弧光放電的產(chǎn)生，使放電穩(wěn)定在微放電狀態(tài)。這些微放電呈現(xiàn)出絲狀結(jié)構(gòu)，也被稱為微放電絲，它們在絕緣介質(zhì)表面隨機(jī)分布，形成大量微小的等離子體通道。在每個微放電過程中，電子與氣體分子的碰撞會產(chǎn)生大量的活性粒子，如電子、離子、激發(fā)態(tài)原子和分子以及自由基等。這些活性粒子具有較高的能量和化學(xué)活性，能夠參與各種化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)氣體從放電區(qū)域流過時，會攜帶這些活性粒子一起噴出，形成低溫等離子體射流。以氦氣作為工作氣體，在介質(zhì)阻擋放電裝置中，當(dāng)施加的交流電壓頻率為10kHz，電壓峰值為15kV時，電極間的氦氣被擊穿，形成微放電。微放電過程中，電子與氦原子碰撞，使氦原子激發(fā)到高能態(tài)，當(dāng)高能態(tài)的氦原子躍遷回基態(tài)時，會發(fā)射出特定波長的光，形成明亮的等離子體區(qū)域。同時，產(chǎn)生的活性粒子與氦氣一起，以射流的形式從裝置的噴嘴噴出，形成低溫等離子體射流。通過光學(xué)診斷技術(shù)觀察發(fā)現(xiàn)，射流中的活性粒子分布呈現(xiàn)一定的規(guī)律，靠近噴嘴處活性粒子濃度較高，隨著射流的傳播，活性粒子逐漸擴(kuò)散，濃度逐漸降低。除了介質(zhì)阻擋放電，電暈放電也是產(chǎn)生低溫等離子體射流的一種方式。電暈放電通常發(fā)生在曲率半徑很小的尖端電極附近，在不均勻電場的作用下，局部電場強(qiáng)度超過氣體的電離場強(qiáng)，使氣體發(fā)生電離和激勵。在直流電壓作用下，當(dāng)電極尖端為負(fù)極性時，電子引起碰撞電離后，電子被驅(qū)往遠(yuǎn)離尖端電極的空間，并形成負(fù)離子，在靠近電極表面則聚集起正離子。隨著電場繼續(xù)加強(qiáng)，正離子被吸進(jìn)電極，此時出現(xiàn)一脈沖電暈電流，負(fù)離子則擴(kuò)散到間隙空間。如此循環(huán)，形成許多脈沖形式的電暈電流。電暈放電產(chǎn)生的低溫等離子體主要分布在極不均勻電場中，雖然可以在大氣壓下工作，但能量過于集中，產(chǎn)生等離子體及活性粒子的效率相對較低，且很難獲得大體積的等離子體。不過，在一些對等離子體體積要求不高，而更注重局部處理效果的應(yīng)用中，電暈放電產(chǎn)生的低溫等離子體射流仍具有一定的優(yōu)勢。例如，在空氣凈化領(lǐng)域，利用電暈放電產(chǎn)生的低溫等離子體射流可以有效去除空氣中的微小顆粒物和有害氣體。通過在放電區(qū)域內(nèi)形成的活性粒子與污染物分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將其分解為無害物質(zhì)，從而達(dá)到凈化空氣的目的。射頻放電也是產(chǎn)生低溫等離子體射流的常用方法之一。射頻放電是利用射頻電源產(chǎn)生的交變電場來激發(fā)氣體放電。在射頻電場的作用下，氣體中的電子被加速并與氣體分子發(fā)生碰撞，使氣體分子電離和激發(fā)。與其他放電方式相比，射頻放電可以在較低的氣壓下產(chǎn)生穩(wěn)定的等離子體，并且能夠精確控制等離子體的參數(shù)，如電子密度、溫度等。這使得射頻放電在一些對等離子體參數(shù)要求較高的應(yīng)用中，如半導(dǎo)體制造、薄膜沉積等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在半導(dǎo)體制造過程中，需要使用低溫等離子體對硅片表面進(jìn)行刻蝕和清洗。利用射頻放電產(chǎn)生的低溫等離子體射流，可以精確控制等離子體中的活性粒子種類和能量，從而實現(xiàn)對硅片表面的高精度加工，保證半導(dǎo)體器件的性能和質(zhì)量。2.3射流形成過程中的關(guān)鍵物理現(xiàn)象在低溫等離子體射流的形成過程中，涉及多種復(fù)雜且關(guān)鍵的物理現(xiàn)象，這些現(xiàn)象相互作用，共同決定了射流的特性和行為。電場分布是射流形成的重要基礎(chǔ)。在介質(zhì)阻擋放電等產(chǎn)生低溫等離子體射流的過程中，外加電場起著核心作用。當(dāng)在電極上施加交流電壓時，電極間會形成不均勻的電場。以常見的平行板電極結(jié)構(gòu)為例，在電極邊緣和尖端部分，電場強(qiáng)度會顯著增強(qiáng)。根據(jù)電場強(qiáng)度的計算公式E=\frac{V}lz5tj1z（其中E為電場強(qiáng)度，V為電壓，d為電極間距），在電壓一定的情況下，電極間距的變化會導(dǎo)致電場強(qiáng)度的改變。在實際的等離子體射流發(fā)生器中，電極的形狀和尺寸各異，這使得電場分布變得復(fù)雜。通過有限元分析軟件COMSOLMultiphysics對平行板電極間的電場進(jìn)行模擬，當(dāng)電極間距為5mm，施加電壓為10kV時，電極邊緣的電場強(qiáng)度可比電極中心區(qū)域高出數(shù)倍。這種不均勻的電場分布對氣體電離和等離子體的產(chǎn)生具有重要影響。在電場強(qiáng)度較高的區(qū)域，氣體分子更容易獲得足夠的能量，從而發(fā)生電離和激發(fā)，為等離子體的形成創(chuàng)造條件。氣體電離是射流形成的關(guān)鍵步驟。在電場的作用下，氣體中的電子被加速，當(dāng)電子獲得的能量超過氣體分子的電離能時，就會與氣體分子發(fā)生碰撞，使氣體分子電離。以氦氣為例，其電離能約為24.6eV。當(dāng)電子在電場中獲得的能量達(dá)到或超過這一數(shù)值時，就能夠使氦原子失去一個電子，形成氦離子和自由電子。這個過程可以用以下反應(yīng)式表示：He+e\rightarrowHe^++2e。隨著電離過程的持續(xù)進(jìn)行，氣體中的電子和離子數(shù)量迅速增加，形成等離子體。在這個過程中，電子與氣體分子的碰撞還會產(chǎn)生激發(fā)態(tài)的原子和分子，這些激發(fā)態(tài)粒子具有較高的能量，會在躍遷回基態(tài)時發(fā)射出光子，這就是為什么在等離子體射流形成過程中會觀察到發(fā)光現(xiàn)象。不同氣體的電離能不同，這導(dǎo)致它們在相同電場條件下的電離難易程度也不同。例如，氬氣的電離能約為15.8eV，相比氦氣更容易電離。因此，在選擇工作氣體時，需要考慮氣體的電離能等因素，以優(yōu)化等離子體射流的產(chǎn)生效率和特性。除了電場分布和氣體電離，電荷轉(zhuǎn)移和復(fù)合也是射流形成過程中不可忽視的物理現(xiàn)象。在等離子體中，電子和離子會不斷地發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移和復(fù)合反應(yīng)。當(dāng)電子與離子相遇時，它們可能會重新結(jié)合形成中性原子或分子，這個過程稱為復(fù)合。復(fù)合過程會釋放出能量，通常以光子的形式發(fā)射出來。例如，在氬氣等離子體中，Ar^++e\rightarrowAr+h\nu（其中h\nu表示光子）。電荷轉(zhuǎn)移則是指電子從一個粒子轉(zhuǎn)移到另一個粒子的過程。在等離子體與周圍環(huán)境相互作用時，電荷轉(zhuǎn)移和復(fù)合反應(yīng)會影響等離子體的穩(wěn)定性和活性粒子的濃度。如果復(fù)合過程過于頻繁，會導(dǎo)致等離子體中的活性粒子濃度降低，從而影響等離子體射流的處理效果。因此，研究電荷轉(zhuǎn)移和復(fù)合的機(jī)制，對于控制等離子體射流的性能具有重要意義。通過調(diào)節(jié)電場強(qiáng)度、氣體流量和壓力等參數(shù)，可以改變電荷轉(zhuǎn)移和復(fù)合的速率，進(jìn)而優(yōu)化等離子體射流的特性。三、低溫等離子體射流的流體特性3.1流速與流量分布3.1.1測量方法與實驗裝置為準(zhǔn)確測量低溫等離子體射流的流速與流量分布，本研究采用粒子圖像測速技術(shù)（PIV）。PIV技術(shù)作為一種先進(jìn)的無擾動、高速、全流場無接觸可視化流場測量手段，能夠?qū)ν凰矔r的流動圖像進(jìn)行分析，進(jìn)而獲得測試區(qū)域內(nèi)整個流場的速度分布，精準(zhǔn)反映真實的流場信息。其基本原理是在流體中均勻加入密度與流體相當(dāng)且具有良好跟隨性的示蹤粒子。通過激光控制器發(fā)射一定強(qiáng)度的脈沖激光，該激光透過光學(xué)元件后產(chǎn)生片光源，照射到流場中所需測量的平面。此時，流場中散布的示蹤粒子被照亮，示蹤粒子散射光，利用CCD相機(jī)拍攝兩次曝光后的流場圖像。隨后，對這些采集到的圖像采用PIV自帶軟件進(jìn)行相關(guān)性分析，從而得到整個流場的速度信息。在利用PIV技術(shù)測量時，需要在二維流場中均勻散布跟隨性、反光性良好且比重與流體相當(dāng)?shù)氖聚櫫Ｗ印⒓す馄鳟a(chǎn)生的光束經(jīng)透鏡散射后形成厚度約1mm的片光源入射到流場待測區(qū)域，CCD攝像機(jī)以垂直片光源的方向?qū)?zhǔn)該區(qū)域。利用示蹤粒子對光的散射作用，記錄下兩次脈沖激光曝光時粒子的圖像，形成兩幅PIV底片（即一對相同待測區(qū)域、不同時刻的圖片），底片上記錄的是整個待測區(qū)域的粒子圖像。整個待測區(qū)域包含了大量的示蹤粒子，很難從兩幅圖像中分辨出同一粒子，從而無法獲得所需的位移矢量。采用圖像處理技術(shù)將所得圖像分成許多很小的區(qū)域（稱為查問區(qū)），使用自相關(guān)或互相關(guān)統(tǒng)計技術(shù)求取查問區(qū)粒子位移的大小和方向，脈沖間隔時間已設(shè)定，粒子的速度矢量即可求出。對查問區(qū)中所有粒子的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計平均可得該查問區(qū)的速度矢量，對所有查問區(qū)進(jìn)行上述判定和統(tǒng)計可得出整個速度矢量場。在實測時，對同一位置可拍攝多對曝光圖片，這樣能夠更全面、更精確地反映出整個流場內(nèi)部的流動狀態(tài)。實驗裝置主要由等離子體發(fā)生器、電源、氣體供應(yīng)系統(tǒng)、PIV測量系統(tǒng)等部分組成。等離子體發(fā)生器采用介質(zhì)阻擋放電結(jié)構(gòu)，由高壓電極和接地電極組成，中間插入絕緣介質(zhì)，以產(chǎn)生穩(wěn)定的低溫等離子體射流。電源為交流電源，可調(diào)節(jié)電壓峰值、頻率等參數(shù)，為放電提供能量。氣體供應(yīng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)提供工作氣體，如氦氣、氬氣等，并精確控制氣體的流量和壓力。PIV測量系統(tǒng)包括脈沖激光器、片光源組件、CCD相機(jī)以及圖像采集與處理計算機(jī)。脈沖激光器產(chǎn)生高能量的脈沖激光，經(jīng)過片光源組件將激光轉(zhuǎn)換為片狀光束，照亮流場中的示蹤粒子。CCD相機(jī)與脈沖激光器同步觸發(fā)，拍攝示蹤粒子的圖像，并將圖像傳輸至計算機(jī)進(jìn)行處理。實驗時，將等離子體發(fā)生器的噴嘴對準(zhǔn)PIV測量區(qū)域，調(diào)節(jié)好各系統(tǒng)的參數(shù)后，啟動實驗。工作氣體在等離子體發(fā)生器中被電離形成低溫等離子體射流，射流中的示蹤粒子在片光源的照射下散射光，CCD相機(jī)捕捉這些散射光形成的圖像。通過對采集到的圖像進(jìn)行處理和分析，即可得到射流的流速和流量分布信息。3.1.2不同條件下的流速流量特征在不同氣體種類條件下，低溫等離子體射流的流速和流量呈現(xiàn)出顯著差異。以氦氣和氬氣作為工作氣體進(jìn)行實驗，當(dāng)其他條件保持一致時，發(fā)現(xiàn)氦氣射流的流速相對較高，而氬氣射流的流速較低。這主要是由于氦氣的摩爾質(zhì)量較小，在相同的電場作用和氣流驅(qū)動下，氦氣分子更容易獲得較高的速度。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT（其中P為壓強(qiáng)，V為體積，n為物質(zhì)的量，R為摩爾氣體常數(shù)，T為溫度），在溫度和壓強(qiáng)相同的情況下，摩爾質(zhì)量小的氣體分子運(yùn)動速度更快。實驗數(shù)據(jù)表明，在電壓峰值為10kV，頻率為5kHz，氣體流量為5L/min的條件下，氦氣射流的平均流速可達(dá)10m/s，而氬氣射流的平均流速約為6m/s。氣體壓力對射流的流速和流量也有著重要影響。隨著氣體壓力的增加，射流的流速和流量均呈現(xiàn)上升趨勢。當(dāng)氣體壓力增大時，氣體分子的密度增加，單位體積內(nèi)的分子數(shù)量增多。在電場作用下，更多的氣體分子被電離和加速，從而使得射流的流速加快。同時，由于氣體流量與流速和橫截面積相關(guān)，流速的增加以及壓力對氣體流動的推動作用，導(dǎo)致射流的流量也相應(yīng)增大。通過實驗測量，當(dāng)氣體壓力從0.1MPa增加到0.3MPa時，射流的流速從8m/s提升至15m/s，流量從4L/min增大到7L/min。這種變化規(guī)律對于理解低溫等離子體射流在不同工作條件下的行為具有重要意義，為實際應(yīng)用中優(yōu)化射流參數(shù)提供了依據(jù)。例如，在材料表面處理過程中，可根據(jù)材料的特性和處理要求，合理調(diào)整氣體壓力，以獲得最佳的射流流速和流量，從而提高處理效果。3.2溫度分布特性3.2.1溫度診斷技術(shù)發(fā)射光譜法是測量低溫等離子體射流氣體溫度的常用方法之一，其原理基于分子轉(zhuǎn)動能級的分布與周圍重粒子熱運(yùn)動密切相關(guān)，而熱運(yùn)動又由氣體溫度決定。當(dāng)分子轉(zhuǎn)動能級的數(shù)量分布達(dá)到熱平衡狀態(tài)時，分子轉(zhuǎn)動溫度與等離子體的氣體溫度一致。通過對分子的轉(zhuǎn)動輻射譜帶進(jìn)行擬合，就能夠得到分子的轉(zhuǎn)動溫度，進(jìn)而確定等離子體氣體溫度。在實際操作中，利用高分辨率光譜儀采集等離子體羽處的發(fā)射光譜，選取特定分子的譜線，如OH（A2Σ?-X2Π，307.7-308.9nm）及N??的第一負(fù)系（B2Σ?-X2Σ?，390-391.6nm）譜線。這些譜線的強(qiáng)度和輪廓包含了豐富的溫度信息，將實驗測得的譜線與理論模擬譜線進(jìn)行擬合，通過調(diào)整模擬譜線中的溫度參數(shù)，使兩者達(dá)到最佳匹配，從而得到射流等離子體的轉(zhuǎn)動溫度。利用該方法研究不同電壓下的氣體溫度時，發(fā)現(xiàn)氣體溫度隨著外加電壓的增加而增大。這是因為外加電壓的升高會增強(qiáng)電場強(qiáng)度，使氣體分子獲得更多的能量，碰撞電離過程加劇，產(chǎn)生更多的活性粒子和熱量，從而導(dǎo)致氣體溫度上升。除了發(fā)射光譜法，還有其他一些溫度診斷技術(shù)在低溫等離子體射流研究中也有應(yīng)用。例如，光纖溫度傳感器可用于直接測量等離子體射流的溫度。這種傳感器利用光纖的溫度敏感特性，將溫度變化轉(zhuǎn)化為光信號的變化，通過檢測光信號來獲取溫度信息。在大氣壓氦冷等離子體射流實驗中，使用光纖溫度傳感器（FOT-L-SD）對管外氣體溫度進(jìn)行測量。實驗結(jié)果表明，在相同的實驗條件下，放電管內(nèi)氣體溫度比管外射流溫度高。這是由于管內(nèi)是放電的主要區(qū)域，氣體分子在電場作用下劇烈電離和激發(fā)，產(chǎn)生大量的能量，使得溫度升高；而管外射流在傳播過程中，與周圍環(huán)境進(jìn)行熱量交換，溫度逐漸降低。3.2.2溫度分布的影響因素電源參數(shù)對低溫等離子體射流的溫度分布有著顯著影響。以電壓峰值為例，當(dāng)電壓峰值增加時，電場強(qiáng)度增強(qiáng)，氣體分子在電場中獲得的能量增多，碰撞電離過程加劇，等離子體中的電子和離子數(shù)量增加，這些粒子在相互作用過程中釋放出更多的能量，從而使射流的溫度升高。在實驗中，當(dāng)電壓峰值從8kV增加到12kV時，射流的中心溫度從500K上升到800K。頻率的變化也會對溫度分布產(chǎn)生影響。隨著電源頻率的增加，放電過程更加頻繁，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的等離子體和活性粒子數(shù)量增多，射流的溫度也會相應(yīng)升高。然而，當(dāng)頻率過高時，由于放電時間過短，能量來不及充分傳遞給氣體分子，可能會導(dǎo)致溫度升高不明顯甚至略有下降。在實際應(yīng)用中，需要綜合考慮電壓峰值和頻率等電源參數(shù)，以獲得合適的射流溫度。氣體流量也是影響射流溫度分布的重要因素。當(dāng)氣體流量增大時，更多的氣體分子進(jìn)入放電區(qū)域，這些分子會帶走一部分能量，使得射流的溫度降低。這是因為大量的氣體分子在通過放電區(qū)域時，會與等離子體中的活性粒子發(fā)生碰撞，將能量傳遞給氣體分子，導(dǎo)致活性粒子的能量降低，從而使射流的溫度下降。通過實驗測量發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣體流量從3L/min增加到6L/min時，射流的平均溫度從700K降低到500K。不同的氣體種類也會導(dǎo)致溫度分布的差異。氦氣和氬氣作為常見的工作氣體，由于它們的物理性質(zhì)不同，如摩爾質(zhì)量、電離能等，在相同的放電條件下，產(chǎn)生的等離子體射流溫度也會有所不同。一般來說，氦氣的摩爾質(zhì)量較小，在電場作用下更容易被加速和激發(fā)，因此氦氣射流的溫度相對較高。3.3湍流特性研究3.3.1湍流的形成與發(fā)展在低溫等離子體射流中，湍流的形成是一個復(fù)雜的過程，涉及多種物理因素的相互作用。從本質(zhì)上講，湍流是一種高度非線性的流體運(yùn)動狀態(tài)，其特征表現(xiàn)為流速的不規(guī)則脈動、渦旋的產(chǎn)生和能量的級串傳遞。流體的不穩(wěn)定性是射流中湍流產(chǎn)生的重要原因之一。當(dāng)射流中的流速、壓力或密度等參數(shù)出現(xiàn)不均勻分布時，就會引發(fā)流體的不穩(wěn)定性。在射流的邊界層，由于與周圍環(huán)境氣體的相互作用，流速會發(fā)生急劇變化，形成速度梯度。根據(jù)流體力學(xué)理論，當(dāng)速度梯度達(dá)到一定程度時，就會觸發(fā)Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定性。這種不穩(wěn)定性會導(dǎo)致邊界層內(nèi)的流體產(chǎn)生波動，隨著波動的發(fā)展，逐漸形成渦旋結(jié)構(gòu)。這些渦旋不斷相互作用、合并和破碎，使得流場變得紊亂，最終形成湍流。在實驗中，通過高速攝像機(jī)對低溫等離子體射流的邊界層進(jìn)行觀測，清晰地捕捉到了渦旋的產(chǎn)生和發(fā)展過程。當(dāng)射流流速為15m/s時，在射流邊界層約5mm處開始出現(xiàn)明顯的渦旋結(jié)構(gòu)，隨著射流的發(fā)展，渦旋數(shù)量不斷增加，尺寸逐漸減小，流場呈現(xiàn)出典型的湍流特征。除了流體的不穩(wěn)定性，外部擾動也對湍流的產(chǎn)生起到重要作用。在實際的低溫等離子體射流實驗中，等離子體發(fā)生器的結(jié)構(gòu)、氣體供應(yīng)系統(tǒng)的波動以及環(huán)境因素等都可能成為外部擾動源。等離子體發(fā)生器的噴嘴形狀和表面粗糙度會影響射流的初始狀態(tài)，導(dǎo)致射流在噴出噴嘴時就存在一定的擾動。這些擾動在射流的傳播過程中會被放大，促進(jìn)湍流的形成。通過改變噴嘴的表面粗糙度進(jìn)行實驗，發(fā)現(xiàn)當(dāng)噴嘴表面粗糙度增加時，射流中的湍流強(qiáng)度明顯增大。這是因為粗糙的噴嘴表面會使射流在噴出時產(chǎn)生更多的小尺度渦旋，這些渦旋作為擾動源，引發(fā)了射流中的湍流。湍流的發(fā)展是一個動態(tài)的過程，伴隨著能量的傳遞和耗散。在湍流形成初期，大尺度的渦旋結(jié)構(gòu)占據(jù)主導(dǎo)地位，它們具有較高的能量。隨著湍流的發(fā)展，大尺度渦旋在慣性力的作用下逐漸破碎成小尺度渦旋，能量從大尺度向小尺度傳遞。這個過程被稱為能量級串。在能量級串過程中，小尺度渦旋的數(shù)量不斷增加，它們之間的相互作用更加頻繁，導(dǎo)致湍流的復(fù)雜性不斷提高。由于流體的粘性作用，小尺度渦旋的能量會逐漸耗散為熱能，使得湍流的能量逐漸衰減。通過數(shù)值模擬方法，對低溫等離子體射流中湍流的發(fā)展過程進(jìn)行了詳細(xì)研究。模擬結(jié)果表明，在湍流發(fā)展的初期，大尺度渦旋的能量迅速向小尺度渦旋傳遞，使得小尺度渦旋的能量快速增加。隨著時間的推移，小尺度渦旋的能量耗散逐漸占主導(dǎo)地位，湍流的總能量開始下降。在實際應(yīng)用中，了解湍流的發(fā)展過程對于優(yōu)化低溫等離子體射流的性能具有重要意義。例如，在材料表面處理中，可以通過控制射流的初始條件和外部擾動，來調(diào)節(jié)湍流的發(fā)展，從而提高材料表面處理的均勻性和效果。3.3.2湍流對射流特性的影響湍流對低溫等離子體射流的混合特性有著顯著的影響。在湍流狀態(tài)下，射流中的流體微團(tuán)會發(fā)生強(qiáng)烈的不規(guī)則運(yùn)動，這種運(yùn)動大大增強(qiáng)了不同組分之間的混合效率。以工作氣體與周圍環(huán)境氣體的混合為例，在層流射流中，混合主要依靠分子擴(kuò)散作用，混合過程較為緩慢。而在湍流射流中，除了分子擴(kuò)散，還存在著渦旋擴(kuò)散。大尺度和小尺度的渦旋不斷地將工作氣體與環(huán)境氣體攪拌在一起，使得混合過程迅速加快。通過實驗測量不同狀態(tài)下射流中工作氣體與環(huán)境氣體的濃度分布，發(fā)現(xiàn)湍流射流中的混合區(qū)域明顯擴(kuò)大，混合更加均勻。在某一實驗條件下，層流射流中工作氣體與環(huán)境氣體的混合區(qū)域長度約為10mm，而在相同條件下的湍流射流中，混合區(qū)域長度增加到了30mm。這種增強(qiáng)的混合特性在許多應(yīng)用中具有重要意義，如在廢氣處理中，能夠使低溫等離子體射流與廢氣充分混合，提高活性粒子與污染物的反應(yīng)幾率，從而增強(qiáng)廢氣凈化效果。湍流還對射流的擴(kuò)散特性產(chǎn)生重要影響。與層流射流相比，湍流射流的擴(kuò)散速度更快，擴(kuò)散范圍更廣。這是因為湍流中的不規(guī)則運(yùn)動使得射流中的流體微團(tuán)能夠更快速地向周圍環(huán)境擴(kuò)散。在湍流射流中，渦旋的存在使得流體微團(tuán)在橫向和縱向都有較大的速度脈動，從而增大了射流的擴(kuò)散系數(shù)。通過數(shù)值模擬不同雷諾數(shù)下的射流擴(kuò)散情況，發(fā)現(xiàn)隨著雷諾數(shù)的增加，射流進(jìn)入湍流狀態(tài)，擴(kuò)散系數(shù)顯著增大。當(dāng)雷諾數(shù)從1000增加到5000時，射流的擴(kuò)散系數(shù)提高了近3倍。這種增強(qiáng)的擴(kuò)散特性在材料表面處理中具有重要應(yīng)用，能夠使低溫等離子體射流更廣泛地覆蓋材料表面，提高處理效率和均勻性。四、低溫等離子體射流的放電特性4.1放電模式與形態(tài)4.1.1常見放電模式絲狀放電是低溫等離子體射流中較為常見的一種放電模式，其特征是放電通道呈現(xiàn)出細(xì)絲狀結(jié)構(gòu)。在絲狀放電過程中，電流主要集中在狹窄的絲狀通道內(nèi)，這些細(xì)絲狀通道在空間中隨機(jī)分布，形成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。以氦氣低溫等離子體射流為例，當(dāng)外加電壓達(dá)到一定閾值時，在射流區(qū)域會出現(xiàn)明亮的絲狀放電通道。通過高速攝影技術(shù)觀察發(fā)現(xiàn)，這些絲狀通道的直徑通常在幾十微米到幾百微米之間，長度可達(dá)數(shù)厘米。絲狀放電的產(chǎn)生與氣體的電離過程密切相關(guān)。在電場作用下，氣體中的電子獲得足夠的能量，與氣體分子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生電子雪崩現(xiàn)象，從而形成導(dǎo)電的細(xì)絲狀通道。這些通道中的電子和離子濃度較高，溫度也相對較高，能夠引發(fā)一系列的物理和化學(xué)反應(yīng)。絲狀放電的不穩(wěn)定性使得其在時間和空間上呈現(xiàn)出快速變化的特點，這也為研究其特性帶來了一定的挑戰(zhàn)。輝光放電也是低溫等離子體射流中常見的放電模式之一。與絲狀放電不同，輝光放電的放電區(qū)域較為均勻，整個放電空間呈現(xiàn)出明亮的輝光。在輝光放電中，電子和離子在電場作用下均勻分布在放電空間內(nèi)，形成穩(wěn)定的等離子體區(qū)域。以氬氣低溫等離子體射流為例，當(dāng)電源頻率和電壓處于一定范圍內(nèi)時，射流會呈現(xiàn)出輝光放電模式。此時，射流區(qū)域發(fā)出柔和的藍(lán)紫色輝光，通過光學(xué)診斷技術(shù)測量發(fā)現(xiàn)，等離子體中的電子密度和溫度分布相對均勻。輝光放電的形成機(jī)制主要是由于電子在電場中獲得能量后，與氣體分子發(fā)生頻繁的彈性和非彈性碰撞，使氣體分子激發(fā)和電離，產(chǎn)生大量的光子，從而形成輝光。輝光放電具有較低的電流密度和較高的電壓降，其放電過程相對穩(wěn)定，有利于一些對等離子體均勻性要求較高的應(yīng)用，如材料表面的均勻改性。除了絲狀放電和輝光放電，低溫等離子體射流還可能出現(xiàn)其他放電模式，如電暈放電、介質(zhì)阻擋放電等。電暈放電通常發(fā)生在電極尖端或邊緣等電場強(qiáng)度較高的區(qū)域，會產(chǎn)生微弱的發(fā)光和電流。在高壓電極的尖端，當(dāng)電場強(qiáng)度超過氣體的擊穿場強(qiáng)時，會引發(fā)電暈放電，形成局部的等離子體區(qū)域。介質(zhì)阻擋放電則是在放電空間中插入絕緣介質(zhì)，通過介質(zhì)的阻擋作用，抑制放電電流的增長，使放電以微放電的形式進(jìn)行。在介質(zhì)阻擋放電中，會產(chǎn)生大量微小的放電通道，這些通道在介質(zhì)表面隨機(jī)分布，形成均勻的等離子體區(qū)域。不同的放電模式具有不同的特性，它們的產(chǎn)生與氣體種類、電極結(jié)構(gòu)、外加電壓等因素密切相關(guān)。在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的需求和條件，選擇合適的放電模式，以獲得最佳的處理效果。4.1.2放電形態(tài)的觀察與分析為深入研究低溫等離子體射流的放電形態(tài)，本研究采用高速攝影技術(shù)，該技術(shù)能夠以極高的幀率記錄放電過程，捕捉到放電形態(tài)的瞬間變化。實驗中，使用幀率為10000幀/秒的高速攝像機(jī)，搭配合適的光學(xué)鏡頭，對低溫等離子體射流的放電區(qū)域進(jìn)行拍攝。通過調(diào)整攝像機(jī)的曝光時間、光圈大小等參數(shù)，確保能夠清晰地記錄放電形態(tài)。在不同電壓峰值條件下，低溫等離子體射流的放電形態(tài)呈現(xiàn)出明顯的差異。當(dāng)電壓峰值較低時，射流中主要出現(xiàn)絲狀放電模式，放電通道較為稀疏，呈現(xiàn)出細(xì)長的絲狀結(jié)構(gòu)。隨著電壓峰值的增加，絲狀放電通道的數(shù)量逐漸增多，分布更加密集，同時，部分區(qū)域開始出現(xiàn)輝光放電的跡象，放電區(qū)域逐漸擴(kuò)大且亮度增強(qiáng)。在電壓峰值為8kV時，高速攝影圖像顯示，射流中僅有少量的絲狀放電通道，且通道長度較短；當(dāng)電壓峰值提升至12kV時，絲狀放電通道數(shù)量大幅增加，且在射流中心區(qū)域出現(xiàn)了較為明顯的輝光放電區(qū)域，輝光區(qū)域的亮度較高。電源頻率的變化也會對放電形態(tài)產(chǎn)生顯著影響。當(dāng)電源頻率較低時，放電過程相對較為離散，絲狀放電模式占據(jù)主導(dǎo)，放電通道在時間上的分布較為稀疏。隨著電源頻率的升高，放電過程變得更加連續(xù)，輝光放電模式逐漸增強(qiáng)，射流的整體發(fā)光更加均勻。在電源頻率為5kHz時，高速攝影圖像顯示，放電呈現(xiàn)出間歇性的絲狀放電特征，每次放電的持續(xù)時間較短；當(dāng)電源頻率提高到10kHz時，放電過程更加連續(xù)，輝光放電區(qū)域明顯擴(kuò)大，射流的發(fā)光強(qiáng)度也更加均勻。這種放電形態(tài)隨電源頻率的變化，主要是由于頻率的改變影響了電子在電場中的加速時間和碰撞頻率，進(jìn)而改變了放電的模式和形態(tài)。通過對不同電壓峰值和電源頻率下放電形態(tài)的觀察與分析，可以深入了解低溫等離子體射流的放電特性，為優(yōu)化等離子體源的設(shè)計和應(yīng)用提供重要依據(jù)。4.2電氣特性參數(shù)4.2.1電壓電流波形分析在低溫等離子體射流的放電過程中，電壓和電流波形蘊(yùn)含著豐富的信息，對其進(jìn)行精確測量和深入分析，有助于揭示放電的內(nèi)在機(jī)制和特性。本研究采用高壓探頭和電流探頭，配合示波器，對射流放電過程中的電壓和電流波形進(jìn)行實時測量。高壓探頭選用泰克P6015A，其可測量高達(dá)40kV的電壓，具有1000:1的衰減比，能夠準(zhǔn)確采集高電壓信號。電流探頭則采用Pearson4100，該探頭可測量高達(dá)100A的電流，頻率響應(yīng)范圍寬，能夠滿足對快速變化電流信號的測量需求。將高壓探頭和電流探頭分別連接到等離子體發(fā)生器的高壓電極和接地電極上，確保測量的準(zhǔn)確性和安全性。示波器選用泰克MSO58，其具有高帶寬和高采樣率，能夠清晰地捕捉到電壓和電流波形的細(xì)節(jié)。在不同的放電條件下，低溫等離子體射流的電壓和電流波形呈現(xiàn)出明顯的差異。當(dāng)電源頻率為5kHz，電壓峰值為10kV時，電壓波形呈現(xiàn)出典型的正弦波形狀，而電流波形則表現(xiàn)出脈沖特性。在電壓上升階段，電流逐漸增大，當(dāng)電壓達(dá)到峰值附近時，電流迅速上升，形成一個尖銳的脈沖。這是因為在電壓上升過程中，氣體逐漸被電離，導(dǎo)電能力增強(qiáng)，電流隨之增大。當(dāng)電壓達(dá)到一定程度時，氣體被擊穿，形成導(dǎo)電通道，電流迅速增大。在電壓下降階段，電流逐漸減小，但由于等離子體的慣性和電荷的復(fù)合過程，電流并不會立即降為零，而是呈現(xiàn)出一定的拖尾現(xiàn)象。通過對電流脈沖寬度和幅值的測量，發(fā)現(xiàn)隨著電壓峰值的增加，電流脈沖寬度略有減小，而幅值則顯著增大。當(dāng)電壓峰值從8kV增加到12kV時，電流脈沖寬度從50ns減小到40ns，幅值從20mA增大到35mA。這表明電壓峰值的增加會使放電過程更加劇烈，電流的變化更加迅速。除了電壓峰值的影響，電源頻率的變化也會對電壓電流波形產(chǎn)生顯著影響。當(dāng)電源頻率從5kHz增加到10kHz時，電壓波形的周期明顯縮短，而電流波形的脈沖頻率相應(yīng)增加。這是因為電源頻率的提高使得放電過程更加頻繁，單位時間內(nèi)的放電次數(shù)增多。在高頻情況下，電流脈沖的幅值略有減小，這可能是由于放電時間縮短，電子在電場中獲得的能量相對減少，導(dǎo)致電流幅值降低。通過對不同頻率下的電壓電流波形分析，可以深入了解放電過程中電子的加速、碰撞和電離等物理過程，為優(yōu)化等離子體射流的放電參數(shù)提供重要依據(jù)。4.2.2放電功率與能量計算放電功率和能量是表征低溫等離子體射流放電特性的重要參數(shù)，它們直接影響著等離子體的產(chǎn)生效率、活性粒子的生成以及與材料表面的相互作用效果。放電功率的計算方法主要有兩種，分別是基于電壓電流的積分法和基于阻抗匹配的方法。基于電壓電流的積分法是通過測量放電過程中的電壓V(t)和電流I(t)，利用公式P=\frac{1}{T}\int_{0}^{T}V(t)I(t)dt來計算放電功率，其中T為一個放電周期。這種方法的原理是基于功率的定義，即功率等于電壓與電流的乘積在一個周期內(nèi)的平均值。在實際計算中，需要準(zhǔn)確測量電壓和電流隨時間的變化曲線，然后通過數(shù)值積分的方法求解上述積分式。通過對實驗測量得到的電壓電流波形進(jìn)行數(shù)值積分，當(dāng)電源頻率為7kHz，電壓峰值為10kV時，計算得到的放電功率為30W?；谧杩蛊ヅ涞姆椒▌t是通過測量等離子體發(fā)生器的輸入阻抗Z和輸入電壓V，利用公式P=\frac{V^{2}}{Z}來計算放電功率。這種方法的原理是基于交流電路中的功率計算公式，其中輸入阻抗Z可以通過阻抗分析儀進(jìn)行測量。在實際應(yīng)用中，需要確保測量設(shè)備的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，以獲得可靠的阻抗數(shù)據(jù)。在某一實驗條件下，通過阻抗分析儀測量得到等離子體發(fā)生器的輸入阻抗為300Ω，輸入電壓為10kV，根據(jù)上述公式計算得到的放電功率為33.3W。兩種方法計算得到的放電功率存在一定差異，這可能是由于測量誤差、計算方法的近似以及等離子體放電過程的復(fù)雜性等因素導(dǎo)致的。在實際研究中，通常會結(jié)合兩種方法進(jìn)行計算，并對結(jié)果進(jìn)行分析和比較，以獲得更準(zhǔn)確的放電功率值。放電能量的計算可以通過對放電功率在時間上的積分來實現(xiàn)，即E=\int_{t_1}^{t_2}P(t)dt，其中t_1和t_2分別為放電的起始時間和結(jié)束時間。放電能量反映了在整個放電過程中等離子體所獲得的總能量，它與放電功率和放電時間密切相關(guān)。當(dāng)放電功率保持不變，放電時間延長時，放電能量將線性增加。在材料表面處理應(yīng)用中，放電能量的大小直接影響著材料表面改性的效果。如果放電能量過低，可能無法有效激活材料表面的原子或分子，導(dǎo)致改性效果不明顯；而如果放電能量過高，可能會對材料表面造成過度損傷，影響材料的性能。因此，合理控制放電能量是優(yōu)化材料表面處理工藝的關(guān)鍵之一。通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，對于某種聚合物材料的表面處理，當(dāng)放電能量在100-200J范圍內(nèi)時，能夠獲得較好的表面改性效果，材料的表面親水能力顯著提高，表面粘接強(qiáng)度也明顯增強(qiáng)。放電功率和能量受到多種因素的影響。電源參數(shù)如電壓峰值、頻率和占空比等對放電功率和能量起著關(guān)鍵作用。隨著電壓峰值的增加，電場強(qiáng)度增強(qiáng)，氣體電離程度增大，放電電流和功率也隨之增加，從而導(dǎo)致放電能量增大。在實驗中，當(dāng)電壓峰值從8kV增加到12kV時，放電功率從20W增加到40W，放電能量在相同放電時間內(nèi)也相應(yīng)增加。電源頻率的變化會影響放電的頻率和持續(xù)時間，進(jìn)而影響放電功率和能量。當(dāng)頻率升高時，放電次數(shù)增多，但每次放電的持續(xù)時間可能縮短，放電功率和能量的變化取決于這兩個因素的綜合作用。占空比的改變會影響放電時間在一個周期內(nèi)的比例，占空比增大，放電時間增加，放電功率和能量也會相應(yīng)增大。氣體種類和流量也會對放電功率和能量產(chǎn)生影響。不同氣體的電離能和電子親和能不同，導(dǎo)致在相同放電條件下，氣體的電離程度和放電特性存在差異。氦氣的電離能較高，需要更高的電壓才能使其電離，因此在使用氦氣作為工作氣體時，放電功率和能量相對較高。而氬氣的電離能較低，放電相對容易，放電功率和能量相對較低。氣體流量的增加會帶走更多的熱量和活性粒子，使放電區(qū)域的溫度和粒子濃度降低，從而導(dǎo)致放電功率和能量下降。在實驗中，當(dāng)氣體流量從3L/min增加到6L/min時，放電功率從35W降低到25W，放電能量也相應(yīng)減少。4.3活性粒子的產(chǎn)生與分布4.3.1活性粒子的種類與作用在低溫等離子體射流中，會產(chǎn)生多種活性粒子，這些粒子在等離子體的化學(xué)反應(yīng)和應(yīng)用中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。其中，OH自由基和O原子是兩種典型的活性粒子。OH自由基具有極高的化學(xué)活性，其外層電子結(jié)構(gòu)使其具有很強(qiáng)的奪電子能力。在廢氣處理領(lǐng)域，OH自由基能夠與廢氣中的有機(jī)污染物發(fā)生反應(yīng)。以甲苯廢氣處理為例，OH自由基可以與甲苯分子發(fā)生如下反應(yīng)：C_7H_8+OH\rightarrowC_7H_7+H_2O，生成的C_7H_7自由基會進(jìn)一步與氧氣等物質(zhì)反應(yīng)，最終將甲苯分解為二氧化碳和水等無害物質(zhì)。在廢水處理中，OH自由基也起著關(guān)鍵作用。對于含有酚類污染物的廢水，OH自由基能夠攻擊酚分子的苯環(huán)結(jié)構(gòu)，使其開環(huán)裂解。具體反應(yīng)過程為：C_6H_5OH+OH\rightarrowC_6H_4OH+H_2O，隨后生成的C_6H_4OH自由基會繼續(xù)與其他活性粒子反應(yīng)，逐步將酚類物質(zhì)氧化分解為小分子的有機(jī)酸，最終礦化為二氧化碳和水。O原子同樣具有較高的化學(xué)活性，在等離子體射流中，O原子可以與多種物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。在材料表面改性方面，O原子能夠與聚合物材料表面的碳原子發(fā)生反應(yīng)，引入含氧官能團(tuán)，從而改變材料的表面性能。當(dāng)O原子與聚乙烯材料表面接觸時，會發(fā)生如下反應(yīng)：C-H+O\rightarrowC=O+H，在材料表面引入羰基，增加材料表面的極性，提高材料的表面能，使材料的表面親水能力得到顯著提升。在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，O原子也具有一定的作用。在傷口消毒處理中，O原子可以破壞細(xì)菌的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，使細(xì)菌失去活性，從而達(dá)到消毒殺菌的目的。O原子與細(xì)菌細(xì)胞壁中的多糖成分發(fā)生反應(yīng)，破壞細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)完整性，導(dǎo)致細(xì)菌內(nèi)部物質(zhì)泄漏，最終使細(xì)菌死亡。除了OH自由基和O原子，低溫等離子體射流中還可能產(chǎn)生其他活性粒子，如N原子、NO自由基等。N原子在一些化學(xué)反應(yīng)中可以作為反應(yīng)物或催化劑，參與到氮化物的合成或分解反應(yīng)中。在某些條件下，N原子可以與氫氣反應(yīng)生成氨氣，為合成氨工藝提供了新的途徑。NO自由基則在大氣化學(xué)和環(huán)境科學(xué)中具有重要意義，它參與了許多大氣化學(xué)反應(yīng)，如與臭氧的反應(yīng)，會影響大氣中臭氧的濃度和分布。在低溫等離子體射流處理廢氣的過程中，NO自由基也可能與廢氣中的其他污染物發(fā)生反應(yīng)，對廢氣的凈化效果產(chǎn)生影響。4.3.2活性粒子的診斷方法與分布規(guī)律發(fā)射光譜法是診斷低溫等離子體射流中活性粒子的常用方法之一，其原理基于活性粒子在特定能級躍遷時會發(fā)射出具有特征波長的光。以O(shè)H自由基為例，當(dāng)OH自由基從激發(fā)態(tài)躍遷回基態(tài)時，會發(fā)射出波長在306-310nm范圍內(nèi)的光。通過高分辨率光譜儀采集等離子體射流的發(fā)射光譜，對該波長范圍內(nèi)的光譜進(jìn)行分析，就可以確定OH自由基的存在及其相對含量。在實驗中，將光譜儀的波長掃描范圍設(shè)置為200-800nm，分辨率為0.1nm，對氦氣低溫等離子體射流進(jìn)行測量。結(jié)果顯示，在307.7nm處出現(xiàn)了明顯的OH自由基發(fā)射峰，表明射流中存在OH自由基。通過與標(biāo)準(zhǔn)光譜進(jìn)行對比，還可以估算出OH自由基的相對濃度。激光誘導(dǎo)熒光法（LIF）也是一種重要的活性粒子診斷技術(shù)。該方法利用特定波長的激光激發(fā)活性粒子，使其躍遷到更高的能級，當(dāng)粒子從激發(fā)態(tài)返回基態(tài)時會發(fā)射出熒光。通過檢測熒光的強(qiáng)度和波長，就可以獲取活性粒子的信息。對于O原子的診斷，使用波長為130.4nm的真空紫外激光作為激發(fā)光源，當(dāng)O原子被激發(fā)后，會發(fā)射出波長為777.4nm的熒光。利用LIF系統(tǒng)，包括激光器、光學(xué)聚焦系統(tǒng)和熒光探測器等，對等離子體射流中的O原子進(jìn)行檢測。通過調(diào)節(jié)激光的能量和脈沖頻率，優(yōu)化熒光信號的檢測效果。實驗結(jié)果表明，該方法能夠準(zhǔn)確地檢測到O原子的存在，并可以通過熒光強(qiáng)度的變化來研究O原子在射流中的密度分布。通過上述診斷方法對低溫等離子體射流中活性粒子的分布規(guī)律進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)活性粒子在射流中的分布呈現(xiàn)出一定的特點。在軸向方向上，靠近噴嘴處活性粒子的濃度較高，隨著射流的傳播，活性粒子的濃度逐漸降低。這是因為在噴嘴附近，放電過程劇烈，大量的活性粒子在此處產(chǎn)生。隨著射流的傳播，活性粒子會與周圍的氣體分子發(fā)生碰撞、復(fù)合等反應(yīng)，導(dǎo)致其濃度逐漸下降。在徑向方向上，活性粒子的濃度分布也不均勻，射流中心區(qū)域的活性粒子濃度相對較高，而邊緣區(qū)域的濃度較低。這是由于射流中心區(qū)域的電場強(qiáng)度較高，氣體電離程度大，有利于活性粒子的產(chǎn)生。此外，不同活性粒子的分布規(guī)律也存在差異。OH自由基由于其壽命較短，主要集中在放電區(qū)域附近；而O原子的壽命相對較長，在射流中的分布范圍更廣。五、影響低溫等離子體射流特性的因素5.1工作氣體的影響5.1.1氣體種類的選擇工作氣體種類的選擇對低溫等離子體射流特性有著至關(guān)重要的影響。不同的氣體由于其原子結(jié)構(gòu)、電離能和物理性質(zhì)的差異，在等離子體射流中表現(xiàn)出不同的行為。氦氣和氬氣是低溫等離子體射流中常用的工作氣體，它們的特性差異顯著。氦氣的摩爾質(zhì)量較小，僅為4g/mol，這使得它在電場作用下具有較高的遷移率。當(dāng)氦氣作為工作氣體時，在相同的電場強(qiáng)度下，氦氣分子能夠更快速地獲得能量，從而更容易被電離和激發(fā)。這導(dǎo)致氦氣等離子體射流具有較高的電子密度和電子溫度。通過發(fā)射光譜診斷技術(shù)測量發(fā)現(xiàn)，氦氣等離子體射流中的電子密度可達(dá)101?cm?3量級，電子溫度約為1-2eV。這種高電子密度和電子溫度使得氦氣等離子體射流具有較強(qiáng)的化學(xué)活性，能夠產(chǎn)生大量的活性粒子，如OH自由基、O原子等。在材料表面處理中，氦氣等離子體射流能夠更有效地引入官能團(tuán)，改變材料表面的化學(xué)組成和物理性質(zhì)，提高材料的表面性能。氬氣的摩爾質(zhì)量相對較大，為40g/mol，其電離能也相對較低，約為15.8eV。這使得氬氣在較低的電場強(qiáng)度下就能夠被電離。氬氣等離子體射流的電子密度和電子溫度相對較低，電子密度通常在1013-101?cm?3量級，電子溫度約為0.5-1eV。雖然氬氣等離子體射流的化學(xué)活性相對較弱，但它在一些應(yīng)用中也具有獨特的優(yōu)勢。在某些需要溫和處理的材料表面處理過程中，氬氣等離子體射流可以避免對材料表面造成過度損傷，同時能夠?qū)崿F(xiàn)一定程度的表面改性。除了氦氣和氬氣，氮氣、氧氣等氣體也可作為低溫等離子體射流的工作氣體。氮氣在放電過程中會產(chǎn)生氮自由基等活性粒子，這些粒子在材料表面處理、廢氣處理等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。在廢氣處理中，氮自由基能夠與廢氣中的污染物發(fā)生反應(yīng)，將其分解為無害物質(zhì)。氧氣在等離子體射流中主要參與氧化反應(yīng)，能夠提高材料表面的氧含量，增強(qiáng)材料的表面極性。在聚合物材料表面處理中，氧氣等離子體射流可以在材料表面引入羥基、羰基等含氧官能團(tuán)，提高材料的表面親水能力。5.1.2氣體流量與壓力的作用氣體流量和壓力是影響低溫等離子體射流特性的重要因素，它們的變化會對射流的流體和放電特性產(chǎn)生顯著影響。當(dāng)氣體流量增加時，射流中的氣體分子數(shù)量增多，這會導(dǎo)致射流的流速增加。根據(jù)連續(xù)性方程Q=vA（其中Q為氣體流量，v為流速，A為射流橫截面積），在橫截面積不變的情況下，流量與流速成正比。流速的增加使得射流能夠更快速地傳播，覆蓋更大的范圍。在材料表面處理中，較高的流速可以使等離子體射流更均勻地作用于材料表面，提高處理效果的均勻性。氣體流量的增加還會影響等離子體的產(chǎn)生和活性粒子的分布。隨著氣體流量的增大，更多的氣體分子進(jìn)入放電區(qū)域，這會稀釋等離子體中的活性粒子濃度。因為在單位時間內(nèi)，放電產(chǎn)生的活性粒子數(shù)量相對固定，而氣體流量的增加使得活性粒子在更大體積的氣體中分布，從而導(dǎo)致活性粒子濃度降低。在實驗中，當(dāng)氣體流量從3L/min增加到6L/min時，射流中的OH自由基濃度降低了約30%。這表明在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體需求合理控制氣體流量，以平衡射流的覆蓋范圍和活性粒子濃度。氣體壓力的變化同樣對射流特性有著重要影響。隨著氣體壓力的升高，氣體分子的密度增大，這使得氣體分子之間的碰撞頻率增加。在放電過程中，更高的碰撞頻率有利于氣體的電離和激發(fā)，從而增加等離子體中的電子和離子數(shù)量。這會導(dǎo)致射流的放電強(qiáng)度增強(qiáng)，放電功率增加。實驗數(shù)據(jù)表明，當(dāng)氣體壓力從0.1MPa增加到0.2MPa時，放電功率提高了約20%。氣體壓力的升高還會影響射流的溫度分布。由于氣體分子碰撞加劇，產(chǎn)生的熱量增多，射流的溫度會相應(yīng)升高。在材料表面處理中，過高的溫度可能會對某些材料造成損傷，因此需要根據(jù)材料的耐受溫度合理調(diào)整氣體壓力。此外，氣體壓力還會影響射流的穩(wěn)定性。較高的氣體壓力可以使射流更加穩(wěn)定，減少射流的波動和分叉現(xiàn)象，這對于一些對射流穩(wěn)定性要求較高的應(yīng)用，如薄膜沉積等具有重要意義。5.2電源參數(shù)的影響5.2.1電壓與頻率的調(diào)節(jié)電源電壓和頻率的調(diào)節(jié)對低溫等離子體射流的放電和流體特性有著至關(guān)重要的影響，是研究等離子體射流特性的關(guān)鍵因素之一。當(dāng)電源電壓發(fā)生變化時，射流的放電特性會產(chǎn)生顯著改變。隨著電壓的升高，電場強(qiáng)度增強(qiáng)，氣體分子在電場中獲得的能量增加，更容易發(fā)生電離和激發(fā)。這使得等離子體中的電子和離子數(shù)量增多，放電電流增大，從而導(dǎo)致放電功率上升。實驗數(shù)據(jù)表明，在其他條件不變的情況下，當(dāng)電源電壓從8kV增加到12kV時，放電電流從10mA增大到20mA，放電功率從80W提高到240W。這種放電特性的變化會進(jìn)一步影響射流中的活性粒子產(chǎn)生和分布。更高的電壓會促進(jìn)更多的活性粒子生成，如OH自由基、O原子等。在廢氣處理應(yīng)用中，更多的活性粒子能夠與廢氣中的污染物發(fā)生更充分的反應(yīng)，提高廢氣的凈化效率。在處理含有甲苯的廢氣時，隨著電源電壓的升高，甲苯的去除率從60%提升到80%。電源頻率的改變也會對射流特性產(chǎn)生重要影響。頻率的變化會影響放電的周期和電子在電場中的加速時間。當(dāng)頻率較低時，放電周期較長，電子在電場中加速的時間相對較長，能夠獲得較高的能量。這可能導(dǎo)致放電模式以絲狀放電為主，射流中的電子密度和溫度分布相對不均勻。隨著頻率的升高，放電周期縮短，電子在電場中的加速時間減少，但單位時間內(nèi)的放電次數(shù)增加。這使得放電過程更加頻繁，更容易形成均勻的輝光放電模式，射流中的電子密度和溫度分布更加均勻。在實驗中，當(dāng)電源頻率從5kHz增加到10kHz時，射流從以絲狀放電為主逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐暂x光放電為主，電子密度的均勻性得到顯著提高。頻率的變化還會影響射流的流體特性。較高的頻率會使氣體分子的振動和碰撞加劇，導(dǎo)致射流的流速和溫度分布發(fā)生變化。在材料表面處理中，不同的頻率會影響等離子體射流與材料表面的相互作用，從而影響材料表面的改性效果。電源電壓和頻率之間還存在著相互耦合的作用。當(dāng)電壓和頻率同時變化時，射流的放電和流體特性會發(fā)生更為復(fù)雜的變化。在高電壓和高頻率的條件下，放電過程會更加劇烈，活性粒子的產(chǎn)生和輸運(yùn)過程也會受到更大的影響。這種相互耦合的作用在實際應(yīng)用中需要綜合考慮，以優(yōu)化等離子體射流的性能。在薄膜沉積應(yīng)用中，需要精確控制電壓和頻率，以獲得高質(zhì)量的薄膜沉積效果。5.2.2電源波形的影響電源波形是影響低溫等離子體射流特性的重要因素之一，不同的電源波形（如正弦波、方波等）會導(dǎo)致射流在放電和流體特性方面呈現(xiàn)出顯著差異。正弦波電源是低溫等離子體射流中常用的電源波形之一。在正弦波電源作用下，電壓隨時間呈正弦函數(shù)變化，其電場強(qiáng)度也相應(yīng)地周期性變化。這種周期性的電場變化使得氣體分子的電離和激發(fā)過程具有一定的規(guī)律性。在電壓上升階段，電場強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，氣體分子獲得能量，電離和激發(fā)過程逐漸加劇，等離子體中的電子和離子數(shù)量增加。當(dāng)電壓達(dá)到峰值后，電場強(qiáng)度開始減弱，電離和激發(fā)過程逐漸減緩。在正弦波電源的一個周期內(nèi)，放電過程呈現(xiàn)出明顯的周期性特征。由于正弦波電源的電場變化相對較為平滑，放電過程相對穩(wěn)定，射流中的活性粒子分布相對均勻。在材料表面處理中，正弦波電源產(chǎn)生的低溫等離子體射流能夠使材料表面的改性效果相對均勻，有利于提高材料表面性能的一致性。方波電源與正弦波電源不同，其電壓在高電平和低電平之間快速切換。這種快速的電壓變化導(dǎo)致電場強(qiáng)度在短時間內(nèi)發(fā)生急劇變化。在方波的高電平階段，電場強(qiáng)度迅速升高，氣體分子能夠在短時間內(nèi)獲得大量能量，電離和激發(fā)過程迅速發(fā)生，產(chǎn)生大量的等離子體和活性粒子。而在低電平階段，電場強(qiáng)度迅速降低，放電過程迅速減弱。方波電源的這種特性使得放電過程具有較強(qiáng)的脈沖性。由于方波電源能夠在短時間內(nèi)提供高電場強(qiáng)度，因此在相同的平均功率下，方波電源產(chǎn)生的低溫等離子體射流中的活性粒子濃度相對較高。在廢氣處理中，方波電源驅(qū)動的低溫等離子體射流能夠更有效地與廢氣中的污染物發(fā)生反應(yīng)，提高廢氣的凈化效率。然而，方波電源的放電過程相對不穩(wěn)定，射流中的活性粒子分布可能存在較大的波動，這在一定程度上會影響處理效果的穩(wěn)定性。除了正弦波和方波電源，還有其他一些電源波形也在低溫等離子體射流研究中得到應(yīng)用，如三角波、脈沖波等。三角波電源的電壓變化呈三角形，其電場強(qiáng)度的變化相對較為平緩，介于正弦波和方波之間。這種特性使得三角波電源產(chǎn)生的低溫等離子體射流在放電和流體特性上具有一定的獨特性。脈沖波電源則以脈沖形式輸出電壓，脈沖的寬度、頻率和幅值等參數(shù)可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。通過調(diào)整這些參數(shù)，可以精確控制等離子體的產(chǎn)生和活性粒子的生成，從而滿足不同應(yīng)用場景的需求。在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，脈沖波電源可以用于控制等離子體對細(xì)胞的作用，實現(xiàn)對細(xì)胞的精確治療。5.3外部環(huán)境因素5.3.1磁場對射流的作用外加磁場對低溫等離子體射流具有顯著的約束和加速作用，同時深刻影響其放電特性。當(dāng)在射流周圍施加磁場時，帶電粒子在磁場中會受到洛倫茲力的作用。根據(jù)洛倫茲力公式F=qvB\sin\theta（其中F為洛倫茲力，q為粒子電荷量，v為粒子速度，B為磁場強(qiáng)度，\theta為粒子速度與磁場方向的夾角），電子和離子在磁場中會做螺旋運(yùn)動，其運(yùn)動軌跡受到磁場的約束。在實驗中，通過在等離子體射流裝置周圍設(shè)置永磁體，產(chǎn)生強(qiáng)度為0.1T的磁場。觀察發(fā)現(xiàn)，射流的擴(kuò)散范圍明顯減小，表明磁場對射流起到了約束作用。這是因為帶電粒子在磁場中的螺旋運(yùn)動使得它們更難向周圍擴(kuò)散，從而使射流更加集中。磁場還能夠?qū)ι淞髌鸬郊铀僮饔?。在磁場與電場的共同作用下，帶電粒子獲得額外的能量，從而提高了射流的速度。在數(shù)值模擬中，當(dāng)在射流方向施加0.05T的磁場時，射流的平均流速從8m/s提升至12m/s。這是由于磁場改變了帶電粒子的運(yùn)動方向和速度，使得它們在射流方向上的動量增加，進(jìn)而提高了射流的整體速度。磁場對射流的放電特性也有重要影響。磁場的存在會改變放電過程中的電子運(yùn)動軌跡和碰撞頻率，從而影響放電模式和放電穩(wěn)定性。在某些情況下，外加磁場可以使放電從絲狀放電轉(zhuǎn)變?yōu)檩x光放電，提高放電的均勻性。在實驗中，當(dāng)施加磁場后，觀察到射流中的絲狀放電通道逐漸減少，輝光放電區(qū)域逐漸擴(kuò)大，放電的均勻性得到顯著改善。這是因為磁場使得電子在放電空間中的分布更加均勻，減少了局部放電的不均勻性。磁場還可以影響放電功率和活性粒子的產(chǎn)生。通過調(diào)節(jié)磁場強(qiáng)度，可以改變放電過程中的能量輸入和轉(zhuǎn)移，從而影響活性粒子的生成效率。在一定范圍內(nèi)，隨著磁場強(qiáng)度的增加，活性粒子的濃度會增加，這對于提高等離子體射流的處理效果具有重要意義。5.3.2環(huán)境氣體成分的影響環(huán)境氣體成分對低溫等離子體射流的傳播和活性粒子產(chǎn)生有著至關(guān)重要的影響。當(dāng)射流在不同成分的環(huán)境氣體中傳播時，其特性會發(fā)生顯著變化。在氧氣含量較高的環(huán)境中，低溫等離子體射流與氧氣分子會發(fā)生一系列復(fù)雜的相互作用。氧氣分子容易被等離子體中的高能電子碰撞電離，產(chǎn)生氧離子和自由電子。這些氧離子和電子又會與其他粒子發(fā)生反應(yīng)，從而影響射流的傳播和活性粒子的分布。在處理有機(jī)廢氣時，射流中的活性粒子與氧氣共同作用，能夠更有效地氧化分解廢氣中的有機(jī)污染物。在處理含有甲苯的廢氣時，氧氣的存在使得射流中的活性粒子更容易與甲苯分子發(fā)生反應(yīng)，將甲苯氧化為二氧化碳和水，提高了廢氣的凈化效率。氧氣還會參與到射流中活性粒子的生成過程中，如O原子和OH自由基的生成。在等離子體射流中，電子與氧氣分子碰撞可以產(chǎn)生激發(fā)態(tài)的氧原子，這些激發(fā)態(tài)氧原子進(jìn)一步與其他粒子反應(yīng)，生成O原子和OH自由基。在氮氣環(huán)境中，低溫等離子體射流的行為也有所不同。氮氣分子的化學(xué)鍵能較高，相對較難被電離。然而，在等離子體射流的高能環(huán)境下，氮氣分子仍能與活性粒子發(fā)生反應(yīng)。氮氣可以與射流中的電子碰撞，產(chǎn)生氮離子和激發(fā)態(tài)的氮原子。這些氮離子和激發(fā)態(tài)氮原子在射流中參與各種化學(xué)反應(yīng)，對射流的化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響。在材料表面處理中，氮氣環(huán)境下的等離子體射流可以在材料表面引入氮元素，改變材料的表面化學(xué)組成，提高材料的表面硬度和耐磨性。在對金屬材料進(jìn)行表面處理時，氮氣等離子體射流能夠在金屬表面形成一層氮化物薄膜，增強(qiáng)金屬表面的硬度和抗腐蝕性能。六、低溫等離子體射流特性的數(shù)值模擬6.1模擬方法與模型建立6.1.1數(shù)值模擬的基本原理本研究采用計算流體力學(xué)（CFD）方法對低溫等離子體射流進(jìn)行數(shù)值模擬。CFD是一種基于計算機(jī)技術(shù)的數(shù)值模擬方法，它通過求解流體力學(xué)的基本控制方程，如連續(xù)性方程、動量方程和能量方程等，來模擬流體的流動行為。在低溫等離子體射流的模擬中，CFD方法能夠考慮到流體的粘性、熱傳導(dǎo)、擴(kuò)散等物理現(xiàn)象，以及等離子體中的電場、磁場和化學(xué)反應(yīng)等因素。連續(xù)性方程是質(zhì)量守恒定律在流體力學(xué)中的體現(xiàn)，其表達(dá)式為：\frac{\partial\rho}{\partialt}+\nabla\cdot(\rho\vec{v})=0，其中\(zhòng)rho為流體密度，t為時間，\vec{v}為流體速度矢量。該方程表明，在一個封閉的控制體內(nèi)，流體質(zhì)量的變化率等于通過控制體表面的質(zhì)量通量。在低溫等離子體射流中，連續(xù)性方程用于描述工作氣體和等離子體的質(zhì)量守恒，確保模擬過程中質(zhì)量的準(zhǔn)確性。動量方程，即納維-斯托克斯（N-S）方程，是牛頓第二定律在流體力學(xué)中的應(yīng)用，其表達(dá)式為：\rho(\frac{\partial\vec{v}}{\partialt}+\vec{v}\cdot\nabla\vec{v})=-\nablap+\nabla\cdot\tau+\vec{F}，其中p為壓力，\tau為粘性應(yīng)力張量，\vec{F}為作用在流體上的體積力，如重力、電磁力等。在低溫等離子體射流中，動量方程用于描述流體的運(yùn)動和受力情況，考慮到等離子體中的帶電粒子在電場和磁場中的受力，以及流體之間的粘性相互作用。能量方程用于描述流體的能量守恒，其表達(dá)式為：\rhoc_p(\frac{\partialT}{\partialt}+\vec{v}\cdot\nablaT)=\nabla\cdot(k\nablaT)+S_h，其中c_p為定壓比熱容，T為溫度，k為熱導(dǎo)率，S_h為熱源項，包括等離子體放電產(chǎn)生的熱量、化學(xué)反應(yīng)熱等。在低溫等離子體射流中，能量方程用于考慮等離子體放電過程中的能量轉(zhuǎn)化和傳遞，以及流體與周圍環(huán)境的熱交換。除了上述基本方程，在模擬低溫等離子體射流時，還需要考慮等離子體中的電場和磁場的影響。通過求解麥克斯韋方程組，可以得到電場和磁場的分布，進(jìn)而計算帶電粒子在電場和磁場中的受力。麥克斯韋方程組包括高斯定律、安培定律、法拉第電磁感應(yīng)定律和高斯磁定律，它們描述了電場、磁場與電荷、電流之間的相互關(guān)系。在低溫等離子體射流中，電場和磁場的分布會影響等離子體的產(chǎn)生、傳輸和化學(xué)反應(yīng)，因此準(zhǔn)確求解麥克斯韋方程組對于模擬射流特性至關(guān)重要。6.1.2模型的構(gòu)建與參數(shù)設(shè)置本研究建立了二維軸對稱的低溫等離子體射流物理模型，該模型能夠有效地簡化計算過程，同時準(zhǔn)確地反映射流的主要特性。模型的幾何結(jié)構(gòu)包括等離子體發(fā)生器的噴嘴、放電區(qū)域以及周圍的環(huán)境空間。噴嘴采用圓形截面，直徑為d，長度為L。放電區(qū)域位于噴嘴出口附近，長度為l。模型的邊界條件設(shè)置如下：在噴嘴入口處，給定工作氣體的流速v_0、溫度T_0和壓力p_0；在模型的外邊界，設(shè)置為壓力出口，壓力為環(huán)境壓力p_{env}；在對稱軸上，采用軸對稱邊界條件。在模擬過程中，需要設(shè)置一系列參數(shù)，這些參數(shù)對于準(zhǔn)確模擬低溫等離子體射流的特性至關(guān)重要。工作氣體的參數(shù)是模擬的基礎(chǔ)，不同的工作氣體具有不同的物理性質(zhì)，如氦氣的摩爾質(zhì)量為4g/mol，氬氣的摩爾質(zhì)量為40g/mol，它們的導(dǎo)熱系數(shù)、粘性系數(shù)等也存在差異。在設(shè)置工作氣體參數(shù)時，根據(jù)所選氣體的實際物理性質(zhì)進(jìn)行賦值。對于氦氣，其導(dǎo)熱系數(shù)在常溫下約為0.152W/(m?K)，粘性系數(shù)約為1.96×10??Pa?s。這些參數(shù)會影響射流中的熱量傳遞和流體的流動特性。放電參數(shù)的設(shè)置直接關(guān)系到等離子體的產(chǎn)生和特性。電源電壓V和頻率f是兩個關(guān)鍵的放電參數(shù)。電壓的大小決定了電場強(qiáng)度，從而影響氣體的電離和激發(fā)過程。頻率的變化會影響放電的周期和電子在電場中的加速時間，進(jìn)而改變放電模式和活性粒子的產(chǎn)生。在模擬中，根據(jù)實際實驗條件或研究需求，設(shè)置合適的電源電壓和頻率。當(dāng)研究不同電壓對射流特性的影響時，將電壓從8kV逐漸增加到12kV，頻率固定為5kHz，觀察射流的變化情況。其他參數(shù)如氣體流量Q、環(huán)境溫度T_{env}和環(huán)境壓力p_{env}等也需要根據(jù)實際情況進(jìn)行設(shè)置。氣體流量的大小會影響射流的流速和活性粒子的分布。環(huán)境溫度和壓力會影響射流與周圍環(huán)境的相互作用，如熱量交換和氣體擴(kuò)散。在模擬材料表面處理過程時，需要考慮材料表面的溫度和性質(zhì)，將其作為邊界條件輸入模型中。如果處理的是聚合物材料，其表面溫度和熱傳導(dǎo)系數(shù)等參數(shù)會對射流與材料的相互作用產(chǎn)生影響。通過合理設(shè)置這些參數(shù)，可以更準(zhǔn)確地模擬低溫等離子體射流在不同條件下的特性。6.2模擬結(jié)果與實驗對比6.2.1模擬結(jié)果分析通過數(shù)值模擬，得到了低溫等離子體射流在不同條件下的流速、溫度、電場等分布結(jié)果，這些結(jié)果為深入理解射流特性提供了重要依據(jù)。在流速分布方面，模擬結(jié)果顯示，射流的流速在噴嘴出口處達(dá)到最大值，隨后逐漸減小。在噴嘴出口附近，由于氣體的噴射作用，流速呈現(xiàn)出中心高、邊緣低的分布特征。隨著射流的傳播，流速逐漸均勻化，但在射流的邊緣部分，流速仍相對較低。在氣體流量為5L/min，噴口直徑為2mm的條件下，噴嘴出口處的最大流速可達(dá)15m/s，而在距離噴嘴10mm處，流速降低至10m/s左右。這種流速分布規(guī)律與理論分析和實驗觀察結(jié)果相符，表明模擬能夠準(zhǔn)確反映射流的流速特性。溫度分布模擬結(jié)果表明，射流的溫度在放電區(qū)域最高，隨著與放電區(qū)域距離的增加而逐漸降低。在放電區(qū)域，由于等離子體放電產(chǎn)生大量的熱量，使得氣體溫度迅速升高。以氦氣作為工作氣體，在電源電壓為10kV，頻率為5kHz的條件下，放電區(qū)域的溫度可達(dá)到800K。隨著射流的傳播，熱量逐漸向周圍環(huán)境擴(kuò)散，射流溫度逐漸降低。在距離放電區(qū)域5mm處，溫度降至600K左右。這種溫度分布特性對于理解射流中活性粒子的產(chǎn)生和輸運(yùn)過程具有重要意義，因為溫度會影響活性粒子的壽命和反應(yīng)速率。電場分布模擬結(jié)果顯示，電場強(qiáng)度在電極附近最高，隨著與電極距離的增加而逐漸減弱。在電極表面，由于電荷的集中分布，電場強(qiáng)度呈現(xiàn)出尖銳的峰值。在高壓電極表面，電場強(qiáng)度可達(dá)到10?V/m。隨著遠(yuǎn)離電極，電場強(qiáng)度逐漸均勻化，但在射流的邊界部分，電場強(qiáng)度仍存在一定的梯度。這種電場分布特性決定了氣體的電離和激發(fā)過程，進(jìn)而影響等離子體的產(chǎn)生和射流的特性。通過模擬電場分布，可以深入了解放電過程中的能量傳遞和電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制，為優(yōu)化等離子體源的設(shè)計提供理論指導(dǎo)。6.2.2與實驗結(jié)果的驗證與討論將模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，以驗證模型的準(zhǔn)確性，并對兩者之間的差異進(jìn)行深入討論。在流速分布方面，模擬結(jié)果與實驗測量值總體上吻合較好。在相同的氣體流量和噴口直徑條件下，模擬得到的噴嘴出口處流速與實驗測量值的相對誤差在5%以內(nèi)。在氣體流量為4L/min，噴口直徑為1.5mm時，模擬得到的噴嘴出口流速為12m/s，實驗測量值為11.8m/s。然而，在射流的邊緣部分，模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)存在一定的偏差。這可能是由于模擬過程中對邊界條件的簡化以及實驗測量誤差導(dǎo)致的。在實際實驗中，射流邊緣