CN113971987A - 一种乙醇中气泡放电等离子体动态演化的模拟方法 - Google Patents

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CN113971987A CN202111196275.3A CN202111196275A CN113971987A CN 113971987 A CN113971987 A CN 113971987A CN 202111196275 A CN202111196275 A CN 202111196275A CN 113971987 A CN113971987 A CN 113971987A
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金甲杰
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张晨晨
胡啸宇
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Abstract

本发明公开了一种乙醇中气泡放电等离子体动态演化的模拟方法，该方法首先建立乙醇中气泡放电几何模型、描述电子碰撞反应过程的等离子体化学模型和描述放电物理过程的电流体动力学模型，然后设定模型边界条件以及对计算域进行网格剖分，使用仿真软件由有限元法求解模型控制方程，通过后处理得到电场强度、粒子浓度分布和等离子体通道的时空演化动态图像。本发明能够模拟在室温、标准大气压条件下，乙醇中含不同气体成分的气泡在不同电压值下放电的起始、发展的动力学过程和活性粒子的形成过程，为实现研究电压幅值对放电等离子体特征的影响提供数据支撑，操作简单、便捷高效。

Description

一种乙醇中气泡放电等离子体动态演化的模拟方法
技术领域
本发明涉及等离子体放电物理技术领域，具体涉及一种乙醇中气泡放电等离子体动态演化的模拟方法。
背景技术
在低温等离子体物理领域，乙醇中气泡放电由于能产生多种活性粒子而在纳米材料制备、制氢技术中得到广泛应用。通过将气泡放电引入液体乙醇能够有效降低液相放电难度，另外，利用含不同气体成分的气泡可以控制等离子体中产生并最终扩散到周围液体乙醇中的活性物质，从而达到不同的放电处理效果。了解气泡放电的基本物理和化学过程对于促进非平衡等离子体的发展是至关重要的，因此，对液体乙醇中气泡的放电特性，国内外开展了大量实验研究，发现气体类型、电压幅值、电极结构影响着放电的起始模式、放电外观和气泡内击穿模式。
然而，由于放电系统的复杂性，很难通过目前的实验诊断完全了解气泡内部放电的动力学特性，因此需要借助数值模拟手段开展研究进一步解释实验观测结果，如Levko D等人(Non-thermal plasma ethanol reforming in bubbles immersed in liquids,Journal of Physics D:Applied Physics 2017年第50卷)利用自适应仿真方法为酒精溶液中孤立气泡放电的特性提供了有价值的见解，但对于常温常压下电极针尖处附着气泡中放电起始、在气泡中传播以及随后的反应物质形成的动力学研究仍然存在困难。因此需要建立乙醇中气泡放电模型，借助仿真手段研究常温常压下气泡放电的动力学特性和活性粒子的形成过程，这能够为乙醇中气泡放电微观过程提供新视角，具有重要理论价值和现实意义。
发明内容
本发明的目的是提出一种乙醇中气泡放电等离子体动态演化的模拟方法，能够模拟在室温、标准大气压条件下，乙醇中含不同气体成分的气泡在不同电压值下放电的起始、发展的动力学过程和活性粒子的形成过程，实现了研究电压幅值对放电等离子体特征的影响。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种乙醇中气泡放电等离子体动态演化的模拟方法，首先建立乙醇中气泡放电几何模型，模型中充有液体乙醇并设置采集电极和气泡，气泡内充入采集气体，所述方法包括以下步骤：
步骤S1.采集乙醇中气泡放电过程中气泡内的粒子成分并设置所述粒子成分的初始浓度，通过采集粒子间发生反应的速率系数、能量阈值以及碰撞截面数据，构建等离子体化学模型，用于计算电子迁移率和平均电子能量；
步骤S2.基于粒子连续性方程、电子能量守恒方程和泊松方程，构建用于描述放电物理过程的电流体动力学模型；
步骤S3.基于所述乙醇中气泡放电过程，设置边界条件，获得边界方程，其中，所述边界条件包括电极、气泡边界、对称轴以及电介质边界处；
步骤S4.选定计算域并对所述计算域进行网格剖分，构建计算域仿真模型；
步骤S5.基于所述等离子体化学模型、所述电流体动力学模型、所述边界方程、所述计算域仿真模型，构建乙醇中气泡放电二维轴对称几何模型，用于乙醇中气泡放电等离子体动态演化的数值模拟。
方案进一步是：步骤S1中所述粒子成分的初始浓度包括，设置均匀低密度种子电荷的第一初始密度以及预电离和预激发的其它粒子的第二初始密度，其中，所述第一初始密度为1015m-3，所述第二初始密度为108m-3；
根据所述第一初始密度、所述第二初始密度，确定粒子间发生的反应，获得所述速率系数、所述能量阈值以及所述碰撞截面数据；
基于所述碰撞截面数据，通过BOLSIG+软件计算所述电子迁移率和所述平均电子能量。
方案进一步是：步骤S2中所述电流体动力学模型的方程组为：
Figure RE-GDA0003382544210000031
Figure RE-GDA0003382544210000032
Figure RE-GDA0003382544210000033
Figure RE-GDA0003382544210000034
Figure RE-GDA0003382544210000035
式中：ne、ni和nm分别是电子、离子和中性物质的数密度；
Γe、Γi和Γm分别是电子、离子和中性物质的粒子流密度，
Figure RE-GDA0003382544210000036
其中，E是电场强度，μe和μi分别是电子和离子的迁移率，De、Di和Dm分别是电子、离子和中性物质的扩散系数，
Figure RE-GDA0003382544210000037
De＝μeTe，e是电子电量，kb是波尔兹曼常数，Tg是气体温度，Te是电子温度，
Figure RE-GDA0003382544210000038
Figure RE-GDA0003382544210000039
是平均电子能量；
Se、Si和Sm分别是电子、离子和中性物质的粒子源项；
nε是电子能量密度，
Figure RE-GDA00033825442100000310
Γε为电子能量流密度，
Figure RE-GDA00033825442100000311
其中，με是电子能量迁移率，
Figure RE-GDA00033825442100000312
Dε是电子能量扩散系数，
Figure RE-GDA00033825442100000313
Sε是电子能量损耗；
ε0和εr分别是真空介电常数和相对介电常数；
V是电位；
ρ是空间电荷密度。
方案进一步是：所述粒子源项Se、Si和Sm以及电子能量损耗Sε的计算公式如下：
Figure RE-GDA0003382544210000041
Figure RE-GDA0003382544210000042
式中：X是导致粒子数密度变化的反应的个数；
cx是反应x的目标物质的摩尔分数；
kx是反应x的速率系数；
nN是总中性物质数密度，
Figure RE-GDA0003382544210000043
其中，P是气压；
Y是电子-中性粒子非弹性碰撞反应的个数；
ΔEy是非弹性碰撞反应y造成的能量损失；
ky是反应y的速率系数；
Z是电子-中性粒子弹性碰撞反应的个数；
me是电子质量；
Mz是反应z的中性反应物的质量；
vn是电子与中性粒子之间的有效碰撞频率，
Figure RE-GDA0003382544210000044
其中，nz是反应z 的中性反应物的数密度，NA是阿伏伽德罗常数，kz是反应z的速率系数。
方案进一步是：所述电极的边界条件为:
Figure RE-GDA0003382544210000051
式中：V0代表电极施加电压；
n代表边界法向量；
气泡的边界条件为：
Figure RE-GDA0003382544210000052
式中：(D2-D1)·n代表流入与流出该边界的电位移通量差，其中，D是电位移矢量，D＝ε0εrE；
ρs是边界表面电荷密度，
Figure RE-GDA0003382544210000053
其中，Ji和Je分别是边界上的总离子流密度和总电子流密度；
电介质的边界条件为：
Figure RE-GDA0003382544210000054
方案进一步是：所述仿真模型采用混合物平均的扩散模型，离子和中性物质的扩散系数Di和Dm取0.01m2/s，气体温度Tg取室温300K，电介质相对介电常数εr取乙醇相对介电常数25，气压P取标准大气压760Torr。
方案进一步是：所述几何模型为50mm×50mm的正方形，金属针电极置于几何模型中液体乙醇中，金属针电极的针尖端是半径为0.5mm的半球形，针尖上附着一个半径为0.5mm的气泡，在室温下向气泡内充入1个大气压的氦气与乙醇蒸气，其中乙醇蒸气所占比例为5％，液体顶部和右侧边界接地。
方案进一步是：步骤S4中所述网格剖分，是采用自由三角形网络剖分，用于对所述计算域进行仿真，仿真区域剖分的网格共包含22957个域和694个边界，求解的自由度数为244897。
方案进一步是：所述方法还包括以下步骤：
步骤S6.采用COMSOL Multiphysics软件的直接求解器PARDISO对所述乙醇中气泡放电二维轴对称几何模型进行求解，其中，计算步长设定为10-12s，使用恒定牛顿方法，容差因子和最大迭代次数分别设定为1％和25次；
步骤S7.对所述步骤S6中求解的结果进行后处理，获得电场强度、粒子浓度分布特征和等离子体通道的时空演化动态，其中，所述后处理包括不同时刻电场强度的二维截点、二维镜像分布，电子密度分布随时间的变化，等离子体放电通道的动态演化过程。
方案进一步是：所述模拟方法通过模拟系统实现，所述模拟系统包括：
化学模型构建模块：用于采集乙醇中气泡放电过程中气泡内的粒子成分并设置所述粒子成分的初始浓度，通过采集粒子间发生反应的速率系数、能量阈值以及碰撞截面数据，构建等离子体化学模型，用于计算电子迁移率和平均电子能量；
物理模型构建模块：用于基于粒子连续性方程、电子能量守恒方程和泊松方程，构建用于描述放电物理过程的电流体动力学模型；
边界条件约束模块：用于基于所述乙醇中气泡放电过程，设置边界条件，获得边界方程，其中，所述边界条件包括电极、气泡边界、对称轴以及电介质边界处；
计算域构建模块：用于选定计算域并对所述计算域进行网格剖分，构建计算域仿真模型；
仿真模型构建模块：基于所述等离子体化学模型、所述电流体动力学模型、所述边界方程、所述计算域仿真模型，构建乙醇中气泡放电二维轴对称几何模型，用于乙醇中气泡放电等离子体动态演化的数值模拟；
仿真模型计算模块：用于采用COMSOL Multiphysics软件的直接求解器 PARDISO对所述乙醇中气泡放电二维轴对称几何模型进行求解，其中，计算步长设定为10-12s，使用恒定牛顿方法，容差因子和最大迭代次数分别设定为1％和25次；
数据后处理模块：对所述仿真模型计算模块中求解的结果进行后处理，获得电场强度、粒子浓度分布特征和等离子体通道的时空演化动态，其中，所述后处理包括不同时刻电场强度的二维截点、二维镜像分布，电子密度分布随时间的变化，等离子体放电通道的动态演化过程。
本发明的有益效果是：本发明方法基于乙醇中气泡放电几何模型、等离子体化学模型、电流体力学建立模型，通过有限元方法求解，能够模拟在室温、标准大气压条件下，乙醇中气泡放电的起始、发展的动力学过程和活性粒子的形成过程，可以通过更改模型设置和仿真条件，实现研究电极结构、电压幅值、气泡中所含气体成分对放电等离子体特征的影响，操作简单、便捷高效、适用性强。
下面结合附图和实施例对本发明作一详细描述。
附图说明
图1为本发明所述的数值模拟方法的流程图；
图2为乙醇中气泡放电二维轴对称几何模型示意图；
图3为乙醇中气泡放电模型网格剖分图；
图4为本发明一种实施例中电子密度分布演化图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-4所示，本发明提供了一种乙醇中气泡放电等离子体动态演化的模拟方法，首先建立乙醇中气泡放电几何模型，模型中充有液体乙醇并设置采集电极和气泡，气泡内充入采集气体，所述方法包括的步骤有：
步骤S1.采集乙醇中气泡放电过程中气泡内的粒子成分并设置所述粒子成分的初始浓度，通过采集粒子间发生反应的速率系数、能量阈值以及碰撞截面数据，构建等离子体化学模型，用于计算电子迁移率和平均电子能量；
步骤S2.基于粒子连续性方程、电子能量守恒方程和泊松方程，构建用于描述放电物理过程的电流体动力学模型；
步骤S3.基于所述乙醇中气泡放电过程，设置边界条件，获得边界方程，其中，所述边界条件包括电极、气泡边界、对称轴以及电介质边界处；
步骤S4.选定计算域并对所述计算域进行网格剖分，构建计算域仿真模型；
步骤S5.基于所述等离子体化学模型、所述电流体动力学模型、所述边界方程、所述计算域仿真模型，构建乙醇中气泡放电二维轴对称几何模型，用于乙醇中气泡放电等离子体动态演化的数值模拟。
以下是对上述方法的具体实施例：
1)建立如图2所示的乙醇中气泡放电二维轴对称几何模型；如图1所示，确定计算域、电极结构、气泡以及不同电介质区域的形状尺寸。完整的计算域为50mm×50mm的正方形，金属针电极置于几何模型的计算域液体乙醇中(其相对介电常数为25)，其尖端是半径为0.5mm的半球形，针尖上附着一个半径为 0.5mm的气泡，在室温下(300K)向气泡内充入1个大气压的氦气与乙醇蒸气，其中乙醇蒸气所占比例为5％，液体顶部和右侧边界接地。
2)建立描述电子碰撞反应过程的等离子体化学模型：本实施例通过查阅多学科资料，确定气泡内包含的粒子成分，如表1所示。所述粒子成分的初始浓度包括，设置均匀低密度种子电荷的第一初始密度以及预电离和预激发的其它粒子的第二初始密度，其中，所述第一初始密度为1015m-3，所述第二初始密度为108m-3；即，在计算域中设定密度(浓度)为1015m-3的电子作为初始的均匀低密度种子电荷，来自于预电离和预激发的其它粒子的初始密度设置为108m-3；然后确定这些粒子间发生的反应，如表2所示；根据所述第一初始密度、所述第二初始密度，再获取粒子间发生的反应的速率系数、能量阈值以及碰撞截面，根据这些反应的碰撞截面数据由BOLSIG+软件计算电子迁移率和平均电子能量，如表3所示。
表1
Figure RE-GDA0003382544210000091
表2
Figure RE-GDA0003382544210000092
Figure RE-GDA0003382544210000101
表3
Figure RE-GDA0003382544210000102
Figure RE-GDA0003382544210000111
3)由粒子连续性方程、电子能量守恒方程和泊松方程构建描述放电物理过程的电流体动力学模型，用于求解模型中粒子密度、电子能量密度、电场强度的演变，具体包括以下方程组：
Figure RE-GDA0003382544210000121
Figure RE-GDA0003382544210000122
Figure RE-GDA0003382544210000123
Figure RE-GDA0003382544210000124
Figure RE-GDA0003382544210000125
式中：ne、ni和nm分别是电子、离子和中性物质的数密度；
Γe、Γi和Γm分别是电子、离子和中性物质的粒子流密度，
Figure RE-GDA0003382544210000126
其中，E是电场强度，μe和μi分别是电子和离子的迁移率，De、Di和Dm分别是电子、离子和中性物质的扩散系数，
Figure RE-GDA0003382544210000127
De＝μeTe，e是电子电量，kb是波尔兹曼常数，Tg是气体温度，Te是电子温度，
Figure RE-GDA0003382544210000128
Figure RE-GDA0003382544210000129
是平均电子能量；
Se、Si和Sm分别是电子、离子和中性物质的粒子源项；
nε是电子能量密度，
Figure RE-GDA00033825442100001210
Γε为电子能量流密度，
Figure RE-GDA00033825442100001211
其中，με是电子能量迁移率，
Figure RE-GDA00033825442100001212
Dε是电子能量扩散系数，
Figure RE-GDA00033825442100001213
Sε是电子能量损耗；
ε0和εr分别是真空介电常数和相对介电常数；
V是电位；
ρ是空间电荷密度。
其中，公式(1)至公式(3)中的粒子源项Se、Si和Sm以及公式(4)中的电子能量损耗Sε的计算公式如下：
Figure RE-GDA0003382544210000131
Figure RE-GDA0003382544210000132
式中：X是导致粒子数密度变化的反应的个数；
cx是反应x的目标物质的摩尔分数；
kx是反应x的速率系数；
nN是总中性物质数密度，
Figure RE-GDA0003382544210000133
其中，P是气压；
Y是电子-中性粒子非弹性碰撞反应的个数；
ΔEy是非弹性碰撞反应y造成的能量损失；
ky是反应y的速率系数；
Z是电子-中性粒子弹性碰撞反应的个数；
me是电子质量；
Mz是反应z的中性反应物的质量；
vn是电子与中性粒子之间的有效碰撞频率，
Figure RE-GDA0003382544210000134
其中，nz是反应z 的中性反应物的数密度，NA是阿伏伽德罗常数，kz是反应z的速率系数。
仿真模型采用混合物平均的扩散模型，离子和中性物质的扩散系数Di和 Dm取0.01m2/s，气体温度Tg取室温300K，电介质相对介电常数εr取乙醇相对介电常数25，气压P取标准大气压760Torr。
4)对上述1)中所述模型设定模型边界条件，包括电极、气泡边界、对称轴以及电介质边界处；
a)针电极的边界条件为:
Figure RE-GDA0003382544210000141
式中：V0代表电极施加电压；
n代表边界法向量；
b)地电极的边界条件为：V＝0(V)
c)气泡的边界条件为：
Figure RE-GDA0003382544210000142
式中：(D2-D1)·n代表流入与流出该边界的电位移通量差，其中，D是电位移矢量，D＝ε0εrE；
ρs是边界表面电荷密度，
Figure RE-GDA0003382544210000143
其中，Ji和Je分别是边界上的总离子流密度和总电子流密度；
d)电介质的边界条件为：
Figure RE-GDA0003382544210000151
5)对上述1)中所述的计算域进行网格剖分，为不同仿真区域和边界设定网格最大单元大小、最大单元增长率、曲率因子、边界层属性和网格剖分方法。仿真采用自由三角形网络剖分，由于两种介质界面处电场梯度较大，故在电极及气泡边界处网格剖分较密，同时，在等离子体区域添加边界层以解析鞘层。仿真模型区域剖分的网格共包含22957个域和694个边界，求解的自由度数为244897，如图3所示。
6)通过有限元法求解模型控制方程：使用仿真软件对乙醇中气泡放电模型进行数值求解，并对瞬态求解器进行设定，包括计算时间步、非线性方法、容差因子和最大迭代次数。因此，所述方法还包括以下步骤：
步骤S6.采用COMSOL Multiphysics软件的直接求解器PARDISO对所述乙醇中气泡放电二维轴对称几何模型进行求解，其中，计算步长设定为10-12s，使用恒定牛顿方法，容差因子和最大迭代次数分别设定为1％和25次；
步骤S7.对所述步骤S6中求解的结果进行后处理，获得电场强度、粒子浓度分布特征和等离子体通道的时空演化动态，其中，所述后处理包括不同时刻电场强度的二维截点、二维镜像分布，电子密度分布随时间的变化，等离子体放电通道的动态演化过程；如附图4示意的为本实施例中一种电子密度分布从 1.0ns到2.5ns的演化过程。
实施例中的上述模拟方法是通过模拟系统实现，所述模拟系统包括：
化学模型构建模块：用于采集乙醇中气泡放电过程中气泡内的粒子成分并设置所述粒子成分的初始浓度，通过采集粒子间发生反应的速率系数、能量阈值以及碰撞截面数据，构建等离子体化学模型，用于计算电子迁移率和平均电子能量；
物理模型构建模块：用于基于粒子连续性方程、电子能量守恒方程和泊松方程，构建用于描述放电物理过程的电流体动力学模型；
边界条件约束模块：用于基于所述乙醇中气泡放电过程，设置边界条件，获得边界方程，其中，所述边界条件包括电极、气泡边界、对称轴以及电介质边界处；
计算域构建模块：用于选定计算域并对所述计算域进行网格剖分，构建计算域仿真模型；
仿真模型构建模块：基于所述等离子体化学模型、所述电流体动力学模型、所述边界方程、所述计算域仿真模型，构建乙醇中气泡放电二维轴对称几何模型，用于乙醇中气泡放电等离子体动态演化的数值模拟；
仿真模型计算模块：用于采用COMSOL Multiphysics软件的直接求解器 PARDISO对所述乙醇中气泡放电二维轴对称几何模型进行求解，其中，计算步长设定为10-12s，使用恒定牛顿方法，容差因子和最大迭代次数分别设定为1％和25次；
数据后处理模块：对所述仿真模型计算模块中求解的结果进行后处理，获得电场强度、粒子浓度分布特征和等离子体通道的时空演化动态，其中，所述后处理包括不同时刻电场强度的二维截点、二维镜像分布，电子密度分布随时间的变化，等离子体放电通道的动态演化过程。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种乙醇中气泡放电等离子体动态演化的模拟方法，首先建立乙醇中气泡放电几何模型，模型中充有液体乙醇并设置采集电极和气泡，气泡内充入采集气体，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤S1.采集乙醇中气泡放电过程中气泡内的粒子成分并设置所述粒子成分的初始浓度，通过采集粒子间发生反应的速率系数、能量阈值以及碰撞截面数据，构建等离子体化学模型，用于计算电子迁移率和平均电子能量；
步骤S2.基于粒子连续性方程、电子能量守恒方程和泊松方程，构建用于描述放电物理过程的电流体动力学模型；
步骤S3.基于所述乙醇中气泡放电过程，设置边界条件，获得边界方程，其中，所述边界条件包括电极、气泡边界、对称轴以及电介质边界处；
步骤S4.选定计算域并对所述计算域进行网格剖分，构建计算域仿真模型；
步骤S5.基于所述等离子体化学模型、所述电流体动力学模型、所述边界方程、所述计算域仿真模型，构建乙醇中气泡放电二维轴对称几何模型，用于乙醇中气泡放电等离子体动态演化的数值模拟。
2.根据权利要求1所述的一种乙醇中气泡放电等离子体动态演化的模拟方法，其特征在于，
步骤S1中所述粒子成分的初始浓度包括，设置均匀低密度种子电荷的第一初始密度以及预电离和预激发的其它粒子的第二初始密度，其中，所述第一初始密度为1015m-3，所述第二初始密度为108m-3；
根据所述第一初始密度、所述第二初始密度，确定粒子间发生的反应，获得所述速率系数、所述能量阈值以及所述碰撞截面数据；
基于所述碰撞截面数据，通过BOLSIG+软件计算所述电子迁移率和所述平均电子能量。
3.根据权利要求1或2所述的一种乙醇中气泡放电等离子体动态演化的模拟方法，其特征在于，
步骤S2中所述电流体动力学模型的方程组为：
Figure FDA0003303090450000021
Figure FDA0003303090450000022
Figure FDA0003303090450000023
Figure FDA0003303090450000024
Figure FDA0003303090450000025
式中：ne、ni和nm分别是电子、离子和中性物质的数密度；
Γe、Γi和Γm分别是电子、离子和中性物质的粒子流密度，
Figure FDA0003303090450000026
其中，E是电场强度，μe和μi分别是电子和离子的迁移率，De、Di和Dm分别是电子、离子和中性物质的扩散系数，
Figure FDA0003303090450000027
e是电子电量，kb是波尔兹曼常数，Tg是气体温度，Te是电子温度，
Figure FDA0003303090450000028
Figure FDA0003303090450000029
是平均电子能量；
Se、Si和Sm分别是电子、离子和中性物质的粒子源项；
nε是电子能量密度，
Figure FDA0003303090450000031
Γε为电子能量流密度，
Figure FDA0003303090450000032
其中，με是电子能量迁移率，
Figure FDA0003303090450000033
Dε是电子能量扩散系数，
Figure FDA0003303090450000034
Sε是电子能量损耗；
ε0和εr分别是真空介电常数和相对介电常数；
V是电位；
ρ是空间电荷密度。
4.根据权利要求3所述的一种乙醇中气泡放电等离子体动态演化的模拟方法，其特征在于，
所述粒子源项Se、Si和Sm以及电子能量损耗Sε的计算公式如下：
Figure FDA0003303090450000035
Figure FDA0003303090450000036
式中：X是导致粒子数密度变化的反应的个数；
cx是反应x的目标物质的摩尔分数；
kx是反应x的速率系数；
nN是总中性物质数密度，
Figure FDA0003303090450000037
其中，P是气压；
Y是电子-中性粒子非弹性碰撞反应的个数；
ΔEy是非弹性碰撞反应y造成的能量损失；
ky是反应y的速率系数；
Z是电子-中性粒子弹性碰撞反应的个数；
me是电子质量；
Mz是反应z的中性反应物的质量；
vn是电子与中性粒子之间的有效碰撞频率，
Figure FDA0003303090450000041
其中，nz是反应z的中性反应物的数密度，NA是阿伏伽德罗常数，kz是反应z的速率系数。
5.根据权利要求3所述的一种乙醇中气泡放电等离子体动态演化的模拟方法，其特征在于，
所述电极的边界条件为:
Figure FDA0003303090450000042
式中：V0代表电极施加电压；
n代表边界法向量；
气泡的边界条件为：
Figure FDA0003303090450000043
式中：(D2-D1)·n代表流入与流出该边界的电位移通量差，其中，D是电位移矢量，D＝ε0εrE；
ρs是边界表面电荷密度，
Figure FDA0003303090450000051
其中，Ji和Je分别是边界上的总离子流密度和总电子流密度；
电介质的边界条件为：
Figure FDA0003303090450000052
6.根据权利要求3所述的一种乙醇中气泡放电等离子体动态演化的模拟方法，其特征在于，所述仿真模型采用混合物平均的扩散模型，离子和中性物质的扩散系数Di和Dm取0.01m2/s，气体温度Tg取室温300K，电介质相对介电常数εr取乙醇相对介电常数25，气压P取标准大气压760Torr。
7.根据权利要求1所述的一种乙醇中气泡放电等离子体动态演化的模拟方法，其特征在于，所述几何模型为50mm×50mm的正方形，金属针电极置于几何模型液体乙醇中，金属针电极的针尖端是半径为0.5mm的半球形，针尖上附着一个半径为0.5mm的气泡，在室温下向气泡内充入1个大气压的氦气与乙醇蒸气，其中乙醇蒸气所占比例为5％，液体顶部和右侧边界接地。
8.根据权利要求1所述的一种乙醇中气泡放电等离子体动态演化的模拟方法，其特征在于，
步骤S4中所述网格剖分，是采用自由三角形网络剖分，用于对所述计算域进行仿真，仿真区域剖分的网格共包含22957个域和694个边界，求解的自由度数为244897。
9.根据权利要求1所述的一种乙醇中气泡放电等离子体动态演化的模拟方法，其特征在于，
所述方法还包括以下步骤：
步骤S6.采用COMSOL Multiphysics软件的直接求解器PARDISO对所述乙醇中气泡放电二维轴对称几何模型进行求解，其中，计算步长设定为10-12s，使用恒定牛顿方法，容差因子和最大迭代次数分别设定为1％和25次；
步骤S7.对所述步骤S6中求解的结果进行后处理，获得电场强度、粒子浓度分布特征和等离子体通道的时空演化动态图像，其中，所述后处理包括不同时刻电场强度的二维截点、二维镜像分布，电子密度分布随时间的变化，等离子体放电通道的动态演化过程。
10.根据权利要求9所述的一种乙醇中气泡放电等离子体动态演化的模拟方法，其特征在于，
所述模拟方法通过模拟系统实现，所述模拟系统包括：
化学模型构建模块：用于采集乙醇中气泡放电过程中气泡内的粒子成分并设置所述粒子成分的初始浓度，通过采集粒子间发生反应的速率系数、能量阈值以及碰撞截面数据，构建等离子体化学模型，用于计算电子迁移率和平均电子能量；
物理模型构建模块：用于基于粒子连续性方程、电子能量守恒方程和泊松方程，构建用于描述放电物理过程的电流体动力学模型；
边界条件约束模块：用于基于所述乙醇中气泡放电过程，设置边界条件，获得边界方程，其中，所述边界条件包括电极、气泡边界、对称轴以及电介质边界处；
计算域构建模块：用于选定计算域并对所述计算域进行网格剖分，构建计算域仿真模型；
仿真模型构建模块：基于所述等离子体化学模型、所述电流体动力学模型、所述边界方程、所述计算域仿真模型，构建乙醇中气泡放电二维轴对称几何模型，用于乙醇中气泡放电等离子体动态演化的数值模拟；
仿真模型计算模块：用于采用COMSOL Multiphysics软件的直接求解器PARDISO对所述乙醇中气泡放电二维轴对称几何模型进行求解，其中，计算步长设定为10-12s，使用恒定牛顿方法，容差因子和最大迭代次数分别设定为1％和25次；
数据后处理模块：对所述仿真模型计算模块中求解的结果进行后处理，获得电场强度、粒子浓度分布特征和等离子体通道的时空演化动态图像，其中，所述后处理包括不同时刻电场强度的二维截点、二维镜像分布，电子密度分布随时间的变化，等离子体放电通道的动态演化过程。
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