大气压介质阻挡放电物理过程的数值模拟

大气压介质阻挡放电装置结构简单，不需要昂贵复杂的真空系统，能在大范围功率下工作，具有广泛的开发和应用前景。作为大气压条件下获得非平衡态等离子体的主要手段，介质阻挡放电近年来在实验和理论上都得到广泛的重视和研究。但是由于等离子体中的带电粒子、中性原子分子和活性基团的物理化学过程十分复杂，同时许多在低气压的诊断方法在大气压条件下失效造成诊断手段的缺失，许多放电基本特征参数无法从实验测量中获得，使得当前对大气压介质阻挡放电的物理过程认识还未清楚。因此，对其进行数学建模和计算机数值模拟成为了研究和认识大气压介质阻挡放电过程的主要手段。 本文采用二维流体模型对大气压条件下平行板结构介质阻挡空气放电进行了数值模拟，研究大气压介质阻挡放电形成和发展的物理过程。对于模型的质量连续方程和耦合电场泊松方程分别采用有限差分—流体通量修正方法（FD—FCT）和切比雪夫加速（Shebyshev acceleration）超松弛迭代方法（SOR）进行求解。 通过比较不同初始条件下的电子密度分布演化、电场分布演化、放电电流以及放电过程的传播速度的变化，得出结论如下： 放电过程可以划分为四个阶段：（1）、电子雪崩过程，（2）、流注形成，（3）、流注传播过程，（4）、放电熄灭消退。 在雪崩过程初始阶段，电子数量不断增大，雪崩轮廓呈楔形，可见雪崩半径正比于轴向距离z。当横向雪崩尺度达到特征电离长度1／α≈0.1cm时，由于排斥漂移，径向电子雪崩快于电子扩散效应，雪崩头部展宽速度骤减，随后的雪崩的发展中雪崩轮廓尺寸没有明显变化。 当阳极附近荷电粒子密度和电场满足流注形成Meek击穿条件时，阳极附近局部本征电场向阴极返回，流注形成并开始向阴极传播。此后在流注头部局部区域中本征电场不断变大，气体电离不断增强，空间电子密度变大，向阴极运动速度不断增大，即进入流注传播过程。 在流注传播过程中，流注头部空间电荷的累积使空间电场变得更大，使得电离率显著增大，另外还产生激发态粒子释放出光子，发生光电离。碰撞电离和光电离产生大量二次电子，出现二次电子雪崩，空间电子密度急剧增大，产生指向阴极的电离波。 流注传播过程结束后，接下来的数微秒内那些大质量慢速度的离子滞留在放电间隙空间中。放电时导电通道里的电子沉积在阳极上，电荷累积形成与外电场反向的电场。通道中的电场强度被削弱，在外电场反向前新的雪崩和流注不能生成，放电进入熄灭消退阶段。 需要指出的是：光电离项Sph对放电影响很大，特别是在流注传播后期对流注传播速度有加速作用。在采用数值模拟过程中，光电离效应是不应该忽略的影响放电的因素。