[发明专利]一种乙醇中气泡放电等离子体动态演化的模拟方法

说明书

本发明公开了一种乙醇中气泡放电等离子体动态演化的模拟方法，该方法首先建立乙醇中气泡放电几何模型、描述电子碰撞反应过程的等离子体化学模型和描述放电物理过程的电流体动力学模型，然后设定模型边界条件以及对计算域进行网格剖分，使用仿真软件由有限元法求解模型控制方程，通过后处理得到电场强度、粒子浓度分布和等离子体通道的时空演化动态图像。本发明能够模拟在室温、标准大气压条件下，乙醇中含不同气体成分的气泡在不同电压值下放电的起始、发展的动力学过程和活性粒子的形成过程，为实现研究电压幅值对放电等离子体特征的影响提供数据支撑，操作简单、便捷高效。

技术领域

本发明涉及等离子体放电物理技术领域，具体涉及一种乙醇中气泡放电等离子体动态演化的模拟方法。

背景技术

在低温等离子体物理领域，乙醇中气泡放电由于能产生多种活性粒子而在纳米材料制备、制氢技术中得到广泛应用。通过将气泡放电引入液体乙醇能够有效降低液相放电难度，另外，利用含不同气体成分的气泡可以控制等离子体中产生并最终扩散到周围液体乙醇中的活性物质，从而达到不同的放电处理效果。了解气泡放电的基本物理和化学过程对于促进非平衡等离子体的发展是至关重要的，因此，对液体乙醇中气泡的放电特性，国内外开展了大量实验研究，发现气体类型、电压幅值、电极结构影响着放电的起始模式、放电外观和气泡内击穿模式。

然而，由于放电系统的复杂性，很难通过目前的实验诊断完全了解气泡内部放电的动力学特性，因此需要借助数值模拟手段开展研究进一步解释实验观测结果，如Levko D等人(Non-thermal plasma ethanol reforming in bubbles immersed in liquids,Journal of Physics D:Applied Physics 2017年第50卷)利用自适应仿真方法为酒精溶液中孤立气泡放电的特性提供了有价值的见解，但对于常温常压下电极针尖处附着气泡中放电起始、在气泡中传播以及随后的反应物质形成的动力学研究仍然存在困难。因此需要建立乙醇中气泡放电模型，借助仿真手段研究常温常压下气泡放电的动力学特性和活性粒子的形成过程，这能够为乙醇中气泡放电微观过程提供新视角，具有重要理论价值和现实意义。

发明内容

本发明的目的是提出一种乙醇中气泡放电等离子体动态演化的模拟方法，能够模拟在室温、标准大气压条件下，乙醇中含不同气体成分的气泡在不同电压值下放电的起始、发展的动力学过程和活性粒子的形成过程，实现了研究电压幅值对放电等离子体特征的影响。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种乙醇中气泡放电等离子体动态演化的模拟方法，首先建立乙醇中气泡放电几何模型，模型中充有液体乙醇并设置采集电极和气泡，气泡内充入采集气体，所述方法包括以下步骤：

步骤S1.采集乙醇中气泡放电过程中气泡内的粒子成分并设置所述粒子成分的初始浓度，通过采集粒子间发生反应的速率系数、能量阈值以及碰撞截面数据，构建等离子体化学模型，用于计算电子迁移率和平均电子能量；

步骤S2.基于粒子连续性方程、电子能量守恒方程和泊松方程，构建用于描述放电物理过程的电流体动力学模型；

步骤S3.基于所述乙醇中气泡放电过程，设置边界条件，获得边界方程，其中，所述边界条件包括电极、气泡边界、对称轴以及电介质边界处；

步骤S4.选定计算域并对所述计算域进行网格剖分，构建计算域仿真模型；

步骤S5.基于所述等离子体化学模型、所述电流体动力学模型、所述边界方程、所述计算域仿真模型，构建乙醇中气泡放电二维轴对称几何模型，用于乙醇中气泡放电等离子体动态演化的数值模拟。