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低温等离子体射流特性的多维度解析与影响因素探究

一、引言

1.1研究背景与意义

低温等离子体作为物质的第四态，在近年来受到了科学界和工业界的广泛关注。当外加电压达到气体的着火电压时，气体分子被击穿，形成包含大量电子、离子、原子和自由基的混合体，即低温等离子体。与高温等离子体不同，低温等离子体中的电子温度远高于离子和中性粒子温度，这种非热力学平衡状态赋予了它独特的物理和化学性质。

低温等离子体射流作为一种新型的等离子体产生技术，具有诸多优势，使其在众多领域展现出巨大的应用潜力。在材料加工与改性领域，通过低温等离子体射流处理，能够在材料表面引入特定的官能团，改变材料的表面能，从而显著提高材料的表面亲水能力与表面粘接强度。例如，在聚合物材料表面处理中，氩气低温等离子体射流可使聚乙烯薄膜表面产生亲水基团，大幅减小水接触角，有效改善材料的表面性能，这对于纺织染色、材料涂层等工艺具有重要意义，能够提升产品质量和性能。

在生物医学领域，低温等离子体射流的应用前景也极为广阔。它可用于医疗器械的消毒，利用其产生的活性粒子杀灭微生物，相较于传统消毒方法，具有高效、环保等优点，且不会对器械造成损伤。同时，在促进骨骼细胞再生、治疗皮肤疾病等临床应用方面，低温等离子体射流也展现出独特的效果。研究表明，通过调整低温等离子体射流的参数，能够促进或抑制细胞生长，为医学治疗提供了新的手段和思路。

在环境保护领域，低温等离子体射流在废气废水处理中发挥着重要作用。对于废气处理，它可以通过与废气中的污染物发生化学反应，将有害气体转化为无害物质，实现废气的净化。在废水处理方面，能够降解水中的有机污染物，提高水质，为解决环境污染问题提供了新的技术途径。

尽管低温等离子体射流在上述领域展现出良好的应用前景，但目前对其流体和放电特性的研究仍存在诸多不足，这在很大程度上限制了该技术的进一步发展和应用。深入研究低温等离子体射流的特性，揭示其物理机制，对于优化等离子体源设计、提高处理效率、拓展应用范围具有至关重要的意义。本研究旨在通过实验和数值模拟相结合的方法，系统地探究低温等离子体射流的流体和放电特性，为该技术的发展和应用提供坚实的理论基础和技术支持。

1.2国内外研究现状

在低温等离子体射流的流体特性研究方面，国外起步较早，取得了一系列具有开创性的成果。早期，Sakiyama等人通过耦合求解流体动力学模型与一维流体放电模型，在层流状态下，先利用二维圆柱坐标求解出He气流在空气中的对流和扩散情况，随后在等离子体传播的截面上运用一维流体模型求解等离子体放电，为后续研究奠定了重要的理论基础。Karakas运用Comsol软件求解层流下的流体方程与混合气体对流扩散方程，并与实验结果进行比对，深入研究了He的摩尔分数和等离子体流注传输的关系，进一步加深了对流体特性的理解。

国内相关研究近年来也发展迅速。邵先军等利用JetsPoudres软件耦合求解连续性方程、N-S方程和混合气体的组份输运方程等，对Ar气流在空气中的流速与摩尔分数分布进行了数值仿真，清晰地揭示了不同工作气体对射流特性的显著影响。同时，通过实验有力地证明了He和ArAPPJ是由不同的放电机制产生的，明确了APPJ的特性与工作气体种类的紧密联系。

在低温等离子体射流的放电特性研究领域，国外研究人员开展了大量富有成效的工作。通过发射光谱诊断手段，对不同频率下的大气压射流冷等离子体的电子激发温度进行了深入研究，利用费米-狄拉克模型进行精确计算，发现不同频率下的电子激发温度在考虑实验误差的情况下变化很小，这一发现对于理解放电过程中的能量传递和电子行为具有重要意义。

国内研究团队也在积极探索，取得了诸多成果。通过改变喷嘴的形状，成功增大了等离子体处理面积，为提高等离子体射流的应用效率提供了新的思路和方法。对大气压射流等离子体的放电特性进行了系统研究，发现当固定电压峰值为12kV，电源频率在2-11kHz之间时，放电主要以丝状放电为主；而电源频率在12-16kHz之时，放电主要以“类辉光放电”为主。当固定频率为7kHz改变电压时，随着电压的增加，放电由丝状放电为主向“类辉光放电”为主转变。

尽管国内外在低温等离子体射流的流体和放电特性研究方面取得了显著进展，但仍存在一些不足之处。在流体特性研究中，对于外加电场（特别是外加电压的频率、峰值、占空比）与气流分布如何相互耦合共同决定等离子体射流的传播，目前尚未完全明确。在放电特性研究中，虽然对不同频率和电压下的放电模式有了一定认识，但对于放电过程中活性粒子的产生、输运和湮灭机制，以及它们与材料表面相互作用的微观过程，还需要进一步深入研究。此外，现有的研究大多集中在单一因素对等离子体射流特性