纳秒脉冲等离子体激励流动建模与数值模拟

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1、西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：纳秒脉冲等离子体激励流动建模与数值模拟作者：徐双艳学科专业：流体力学指导教师：刘锋2017年10月ModelingandSimulationofNanosecond-pulsedDielectricBarrierDischargeActuatorsByXuShuangyanUndertheSupervisionofProfessorLiuFengADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentofthere

2、quirementForthedegreeofDoctorofFluidMechanicsXi’anP.R.ChinaDec.2017摘要摘要纳秒脉冲介质阻挡气体放电是一种新型等离子体流动控制技术，具有设计结构简单、流动激励效果明显以及能耗成本低等优点。随着电脉冲技术的不断发展，纳秒脉冲介质阻挡等离子体激励器目前已成为国内外重点关注的研究对象。同时，纳秒脉冲介质阻挡气体放电过程中等离子体流动机理已经成为流体力学和等离子体物理学领域新的研究热点。特别是，纳秒脉冲空气放电过程中产生的高密度等离子体以及冲击波流动响应，在航空航天领域中具有非常广阔的应用前景。为了更

3、有效的探究纳秒脉冲介质阻挡气体放电与等离子体激励流动机理，优化放电过程并且设计更有效的等离子体激励器，本文开展的研究工作主要包括：（1）通过分析等离子体各组分粒子的化学物理性质、分子的振动激发态对能量平衡的影响作用以及电子与离子的产生与损失机制，在传统等离子体空气放电化学模型基础上，选取了放电过程中涉及的主要猝灭反应，并且忽略了某些涉及振动激发态及负离子的化学反应，构建了一套简化的空气放电等离子体物理化学模型。（2）结合商业软件框架通过用户自定义编程，发展了一套气体放电等离子体激励流动过程的多物理场耦合数值计算方法。控制方程包括空气放电过程中电子、离子和中性

4、粒子满足的漂移-扩散物质守恒方程，电场满足的泊松方程，等离子体激励流动的可压缩Navier-Stokes方程，以及气体热力学状态方程。在动量守恒方程中考虑等离子体放电过程中电场力产生的体积力，能量守恒方程中考虑放电过程中粒子的碰撞运动产生的快速能量释放对周围气体的影响。基于局部加密的非结构网格，通过二阶精度的有限体积格心格式进行空间离散，时间推进采用四阶Runge-kutta显式格式，实现控制方程的耦合数值计算。（3）采用本文构建的空气放电等离子体物理化学简化模型和多物理场耦合数值计算方法，实现了纳秒脉冲介质阻挡空气放电等离子体激励流动过程的数值模拟，研究了

5、纳秒脉冲介质阻挡放电特性和等离子体激励流动机理，同时还研究了不同输入电压参数与电极结构对空气放电特性以及等离子体激励流场的影响。本文的数值模拟结果与文献计算以及实验结果相符，由此说明本文构建的等离子体物理化学简化模型与耦合数值计算方法能够准确且高效地模拟纳秒脉冲介质阻挡放电等离子体激励流动过程。在低气压环境下，对二维对称电极纳秒脉冲介质阻挡空气放电等离子体激励过程的数值模拟结果表明，空气放电从两极处开始向外扩展，电压达到峰值之前放电已充分发展，放电过程中电子沉积在介质表面，使得电极附近形成强电场；高电压端介质表面形成一层很薄的无电子鞘层区域，鞘层边缘存在明显

6、的高密度薄电子层与高能量密度层，会有瞬态的高能量注入，因此产生一簇近似以音速传播的膨胀波。I西北工业大学博士研究生学位论文编写规则在大气压环境下，对二维典型非对称电极纳秒脉冲介质阻挡空气放电等离子体激励流动过程的数值模拟结果表明，在放电过程中随着外部电场的不断增加，下电极上方的介质表面不断有电荷积累，表面电荷密度、平均电子能量以及电流密度在脉冲上升沿达到最大值量级；在上电极右尖端处介质表面附近，形成一个高电子密度与高能量密度的核心区域，由此产生的快速能量注入激励流场形成向外传播的压力波；初始阶段压力波为强压缩波，随着压力波向外推进，波速与波强都有所衰减，强压

7、缩波转变为弱扰动波。为了更深入的探究激励器结构参数以及输入电压对介质阻挡等离子体放电激励空气过程的影响，本文分别研究了上电极不同裸露方式、输入电压不同脉冲波形、上下电极不同长对放电特性及激励流动的影响，数值模拟结果表明：（1）带有尖端的裸露电极激励产生的放电特性更强、放电区域更大，在放电过程中可以注入更高的能量，并且有二次能量释放现象发生，因此产生的压力波更强，加热区域更大、温度更高；（2）输入电压脉冲波形上升沿越短，放电区域越大、特征物理量量值越高、放电特性越强；（3）具有不同上下电极长度的等离子体激励器，放电过程中特征物理量的时-空演化规律基本相同，因此

8、上下电极长度对纳秒脉冲等离子体激励效果几乎没有影响。