[论文解读] A numerical analysis of the impact of gas pressure and dielectric material on the generation of body force in an air gas plasma actuator

Sajad Hajikhani, Ramin Mehrabifard|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2024

Plasma Applications and Diagnostics被引用 6

一句话总结

本研究使用 COMSOL Multiphysics 对二维空气等离子体执行器中气体压力和介质材料对体力建立的影响进行了数值研究。结果表明，石英和云母因表面电荷分布最优而产生最高的体力；当压力从 760 降低至 560 torr 时，体力最高提升约 22%，这是由于电子密度增加且碰撞频率降低所致。

ABSTRACT

<p><strong>Abstract</strong></p> <p>Plasma technology has undeniably revolutionized industrial processes in recent decades. Atmospheric pressure plasma (APP) has emerged as a prominent and widely applicable tool in various scientific disciplines. Notably, plasma-assisted flow control has become a subject of intense interest, particularly applying surface dielectric barrier discharge (SDBD) plasma actuators for aerodynamic flow control. In this study, a two-dimensional model of the SDBD plasma actuator is developed using the COMSOL Multiphysics program, incorporating air gas discharge reactions with N<sub>2</sub>/O<sub>2</sub>/Ar gases in specific ratios (0.78, 0.21, 0.01). The investigation focuses on the impact of dielectric materials (mica, silica glass, quartz, and polytetrafluoroethylene (PTFE)) on plasma characteristics and body force within the plasma actuator under constant input parameters. Moreover, the study explores how variable pressure (760, 660, and 560 torr) in different applications influences plasma properties, ultimately affecting the magnitude of the body force in the plasma actuator. These findings contribute to optimizing plasma technology for flow control applications and enhance industrial efficiency and performance.</p>

研究动机与目标

• 分析不同介质材料对表面介质阻挡放电（SDBD）等离子体执行器中等离子体特性及体力的影响。
• 研究气体压力（760、660、560 torr）变化对等离子体特性及体力大小的影响。
• 优化介质材料与压力条件，以提升气动流动控制性能。
• 基于漂移-扩散方程，为大气压条件下空气放电（N₂/O₂/Ar）提供基于物理解释的数值模型。

提出的方法

• 在 COMSOL Multiphysics 中建立了 SDBD 等离子体执行器的二维轴对称模型，气体成分为（N₂: 0.78, O₂: 0.21, Ar: 0.01）。
• 采用漂移-扩散模型求解电子密度与能量输运方程，包含电离、附着和激发反应。
• 通过汤姆孙系数求解电子连续性方程与能量方程，并引入电子碰撞过程的非弹性碰撞项。
• 对不同介电材料（云母、熔融石英玻璃、石英、PTFE）建模，其介电常数与表面电荷累积特性各不相同。
• 将气体压力分别设定为 760、660 和 560 torr，以评估其对电子密度、电场强度及体力建立的影响。
• 通过等离子体区域的电场与空间电荷密度计算体力，基于洛伦兹力项得出。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同介质材料（云母、熔融石英玻璃、石英、PTFE）如何影响 SDBD 等离子体执行器中表面电荷分布与体力？
• RQ2 气体压力从 760 降低至 560 torr 对等离子体中电子密度与体力大小有何影响？
• RQ3 在输入电压与压力恒定的条件下，哪种介质材料能实现最大的体力建立？
• RQ4 压力变化如何改变空气放电等离子体中的电子能量分布与电离效率？

主要发现

• 石英和云母介质产生的体力最大，其中石英相比 PTFE 可使体力提升高达 22%，归因于更优的电荷累积与电场增强性能。
• 将气体压力从 760 降低至 560 torr 后，体力提升约 22%，主要由于电子-中性粒子碰撞频率降低，电子迁移率提高。
• 在 560 torr 时，电子密度相比 760 torr 提高了 18%，有助于增强电离过程并提升体力建立。
• PTFE 由于介电常数低且表面电荷局域化能力差，导致电场增强效果弱，体力输出最低。
• 熔融石英玻璃表现出中等性能，其体力介于 PTFE 与石英之间，表明其在介电强度与表面电荷动力学之间取得良好平衡。
• 体力分布最均匀且最强的区域位于高介电常数介质表面（石英）附近，与放电间隙中电场强度峰值区域高度吻合。