大気圧プラズマシミュレーションの開発－次世代プラズマプロセスの実現を目指して－

开发大气压等离子体模拟 - 旨在实现下一代等离子体工艺 -

基本信息

批准号：
12J06646
负责人：
小室淳史
金额：
$ 1.28万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2012
资助国家：
日本
起止时间：
2012 至 2013
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究は、大気圧ストリーマ放電のモデリングを行い、実験とシミュレーション結果の比較・検討を繰り返しながら、高性能なシミュレーションモデルの確立を目指したものである。前年度までの研究においては、放電中の現象(放電開始から1μ秒以内の現象)のモデリングを行い、放電発光やラジカルの生成分布を高精度に再現することに成功した。これに対し、本年度は放電後の現象(放電開始から1μ秒以後の現象)のモデリングに取り組んだ。放電後の重要な現象として、放電空間中の乱流の発生があげられる。放電後に発生する乱流は、化学反応率に大きく影響する。したがって乱流の制御は、ストリーマ放電を用いた応用技術のエネルギー効率に関係する重要な課題であり、無視することは出来ない。ラン州はは、ストリーマ放電の発生に伴い、放電空間中に微弱な衝撃波が発生することに起因するものであるが、その衝撃波の生成機構は未だ明らかにされていなかった。このような状況に対し、本研究ではストリーマ放電における放電エネルギーの遷移過程に着目し、分子の内部エネルギーの変化まで詳細にモデリングを行うことにより、問題の解決に取り組んだ。その結果、シミュレーションによる放電後の衝撃波の再現に成功した。ストリーマ放電における衝撃波の生成は、放電により陽極近傍のガスが急激に加熱されるために生じる。そしてその加熱は、放電により生成された分子の電子励起種(N_2 (A, B, C), O (D)など)が、放電後にエネルギー緩和を起こす過程により生じることがわかった。またシミュレーション結果より、分子の電子励起種のエネルギー緩和は、放電空間中の空気を加湿することにより加速されることが明らかになった。つまり、加湿空気中では放電エネルギーの緩和速度が加速され、ガスが加熱されやすくなる。このような現象は、現在までに実験的には観測されていたが、物理的な説明は与えられずにいた。以上の結果により、ストリーマ放電におけるガスの加熱現象と、それに伴う衝撃波の発生をシミュレーションで再現するためには、分子の内部エネルギー状態の変化まで詳細に考慮することが必要であることが明らかになった。

这项研究旨在通过对大气压力流放物进行建模并反复比较和检查实验和仿真结果来建立高性能模拟模型。在上一年之前的研究中，我们在放电期间（在出院开始后1μs之内）进行了建模，并以高精度成功地再现了排放发射和自由基发电的分布。相比之下，今年我们致力于在出院后（排出开始后1μsec后预防）进行建模。放电后的一个重要现象是放电空间中的湍流发生。放电后发生的湍流对化学反应速率产生了重大影响。因此，湍流控制是使用流媒体排放的应用技术中能源效率相关的重要问题，不能忽略。 RAN状态是由于流媒体排放产生的产生在放电空间中产生的弱冲击波引起的，但是产生冲击波的机制尚未澄清。为了应对这种情况，这项研究集中于流媒体放电期间排放能量的过渡过程，并通过详细详细建模分子的内部能量的变化来解决问题。结果，模拟在放电后成功再现了冲击波。流媒体放电中的冲击波产生是因为阳极附近的气体通过排放迅速加热。然后发现加热是由于排放产生的电子兴奋的分子物种（例如N_2（a，b，c），o（d））导致能量放松后的。模拟结果还表明，通过在放电空间中加湿空气来加速电子激发的分子物种的能量松弛。换句话说，放电能量的放松速度在加湿的空气中加速，使气体更有可能被加热。到目前为止，已经在实验上观察到了这种现象，但是没有给出任何物理解释。以上结果表明，为了重现流媒体放电中的气体加热现象，以及在模拟中产生的冲击波产生，有必要考虑分子内部能状态的变化。