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

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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。