Numerical analysis of atmospheric-pressure nonequilibrium plasma combined with hydrodynamic effects of gases and liquids

结合气体和液体流体动力学效应的大气压非平衡等离子体数值分析

• 批准号: 21H01075
• 负责人: 杤久保 文嘉
• 金额: $ 9.65万
• 依托单位: Tokyo Metropolitan University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01075/
• 关键词: 大気圧非平衡プラズマ; プラズマシミュレーション; 流体シミュレーション; プラズマ液体相互作用; 温度計測; ガス温度計測

大気圧非平衡プラズマは高プラズマ密度であるが故に局在化しやすく，ジュール加熱がガス温度上昇を誘発する。また，イオン風による流れも生じる。即ち，流体力学的作用を包含してプラズマ構造，粒子輸送等を考える必要がある。本研究は液体を電極とした直流グロー放電で構成される気液界面プラズマを主な対象とし，気体と液体の流体力学的作用を連成した大気圧非平衡プラズマの数値解析を実現し，大気圧非平衡プラズマの理解の深化を目的とする。具体的な研究項目は，(1)プラズマ中の温度計測，(2)流体近似モデルによるプラズマ解析，(3)粒子モデルによるプラズマ解析，である。項目(1)では，前年度に構築したマッハツェンダー干渉計，干渉縞から局所ガス密度・温度分布を再構成するアルゴリズムの見直しを行い，大気中のノズル－球電極間に発生するアルゴン直流グロー放電中のガス密度・温度分布の計測を行った。また，液体電極を有する大気圧Arグロー放電についても計測を行ったが，温度分布の再構成には至っていない。項目(2)では，大気圧ヘリウムガス中でノズル－液体電極間に発生する直流グロー放電を対象とした解析を行なっており，直流グロー放電の解析，気体の流体解析，及び，液体の熱伝導方程式を考慮した解析を行なった。陰極降下領域でのガス加熱とイオン風の発生，これに伴う渦の発生，液中への熱輸送に伴う放電と温度場の構造変化を確認した。さらに，液面の局所的な電界に伴う電気流体力学現象を取り込むためにエレクトロスプレーの数値解析にも着手した。項目(3)については，短ギャップ(200 um)のヘリウム大気圧グロー放電に対してPIC/MCC法により，電子/イオンエネルギー分布を取得する所まで実施した。現在，熱伝導方程式の連成に取り組んでいる。

大气压非平衡等离子体由于其高血浆密度而容易定位，并且焦耳加热会诱导气体温度升高。另外，还发生由离子风引起的流动。也就是说，有必要考虑血浆结构，颗粒传输等，包括流体动作。这项研究主要集中在使用液体作为电极的直流电流放电组成的气液界面等离子体，旨在通过结合气体和液体的流体动力作用来加深我们对大气压非平衡等离子体的理解。特定的研究项目包括（1）血浆中的温度测量，（2）使用流体近似模型的血浆分析以及（3）使用粒子模型的等离子体分析。在项目（1）中，我们审查了从上一年中构建的马切德干涉仪中重建局部气体密度和温度分布的算法，并测量了在大气中的喷嘴和球体电极之间产生的Argon DC发光过程中的气体密度和温度分布。此外，对用液体电极进行了测量，用于大气压AR发光排放，但尚未重建温度分布。在项目（2）中，对大气氦气中的喷嘴和液体电极之间产生的直流发光放电进行了分析，并考虑了DC Glow放电，气体的流体分析以及液体的热传导方程进行了分析。我们确认了阴极滴区域中的气体加热和离子风的产生，所得的涡流以及由于热传输到液体中引起的排放和温度场的结构变化。此外，我们还开始对电刺的数值分析，以纳入与液态水平上局部电场相关的电水动力现象。关于项目（3），还使用PIC/MCC方法获得了短间隙（200 um）氦气发光放电的电子/离子能分布。目前，我们正在努力组合热传导方程。

项目成果

東京都立大学・プラズマ応用研究室

东京都立大学等离子体应用实验室

Analysis of Physical Properties of Corona Discharge and Droplet Emission in Electrospray

电喷雾电晕放电和液滴发射的物理性质分析

• 发表时间: 2022
• 作者: 那波和宏;奥山大輔;石川明日香;田村隆治;梶本亮一;池内和彦;出口和彦;松浦直人;佐藤 卓;F. Tochikubo
• 通讯作者: F. Tochikubo

Numerical simulation of atmospheric-pressure helium DC glow discharge considering gas dynamics

考虑气体动力学的大气压氦直流辉光放电数值模拟

• 发表时间: 2022
• 作者: T. Goto;Y. Nakagawa;F. Tochikubo
• 通讯作者: F. Tochikubo

エレクトロスプレーのテイラーコーン先端における負コロナ放電の数値解析

电喷雾泰勒锥尖负电晕放电的数值分析

• 发表时间: 2022
• 作者: 勝野聡人;中川雄介;杤久保文嘉
• 通讯作者: 杤久保文嘉

Prediction of plasma-induced reactions in a droplet placed in an atmospheric-pressure helium plasma

预测置于大气压氦等离子体中的液滴中等离子体诱发的反应

• 发表时间: 2021
• 作者: Kazunori Shinoda;Nobuya Miyoshi;Hiroyuki Kobayashi;Yuko Hanaoka;Masaru Izawa;Kenji Ishikawa;Masaru Hori;F. Tochikubo
• 通讯作者: F. Tochikubo