文档介绍：氧等离子体中臭氧形成过程数值模拟
欧阳建明,邵福球,林明东
国防科技大学理学院,长沙,410073
通讯地址:国防科技大学物理系,410073
E-mail 地址:oyjmoyjm@
摘要:本文利用数值模拟程序对不同条件下氧等离子体和大气等离子体中臭氧的
形成过程进行数值模拟。结果发现:臭氧的形成与游离态氧原子密切相关;臭氧
的最大数密度与初始电子数密度有关;臭氧最大数密度持续的时间与脉冲放电大
气等离子体中放电时间选取相关,最佳的放电间隔是游离态氧原子达到最大的时
间。
一. 引言
臭氧具有极强氧化能力,是强氧化剂、杀菌消毒剂、催化剂、脱色除臭剂。
由于臭氧本身的不稳定性,经过一段时间后能自行分解为氧气,不会造成二次污
染。随着人们对环境质量要求的提高,臭氧将是人们理想的绿色环保药剂。早在
1857 年,西门子公式就开始利用臭氧进行消毒[1]。
目前人工产生臭氧主要是采用沿面放电、介质阻挡放电等方法,利用氧等离
子体或大气等离离子体产生臭氧,相关理论和实验研究已经取得了很大的进展
[1-4]。等离子体中臭氧的形成过程数值模拟是目前理论研究的一个重要方向,也
是较为直接的一种方法。本文以较为完善的大气等离子体物理化学过程模拟程序
[5]为基础,充分考虑与臭氧形成过程相关的组分和反应式,对程序进行改进。利
用改进程序数值模拟不同条件下氧等离子体和大气等离子体中臭氧的形成过程。
二. 物理模型和数值模拟方法
模型考虑了 41 种组分,其中包含有中性粒子(包括激发态氧分子和原子),
带正电粒子(正离子、水合正离子),带负电粒子(电子、负离子、水合负离子)。
以及与这 41 种组分相关的 249 个反应式,包括二体反应,如 2 2 eOOe ,
[2,6-8]
三体反应,如 OOOOO 2322 。各反应式由资料查得。
模型为零维模型,即只考虑各组分随时间的关系,而不考虑扩散、漂移等空
间过程,这是由于形成臭氧的等离子体一般都被局限在一个小的空间当中,空间
过程对臭氧的产生过程的影响不大。
模拟的方程组如下[5]:
dy
i yyytf ),........,,( i 41,2,1
dt i 21 l
41 41 41
ijii ijij ijm yyknyyknyf mjijm
j1 mj1 1
其中 iyi 组分的数密度, 为第 是与第f i i 种组分反应相关的函数。和kij kijm
分别是 i、j 组分之间的二体反应的反应速率和 i、j、m 组分之间的三体反应的反
应速率;nij 和nijm 为系数,当反应生成 i 组分是取 1,消耗 i 组分时取-1。
数值模拟程序采用拟稳态近似法(QSSA)[9],中心思想是将不同的刚性度
的方程分类,采用不同的公式进行近似计算,该方法在大气物理的模拟中广泛采
用[10]。模拟程序采用了质量守恒技术。为了加快计算时间,程序的时间步长可
以自动调整。同时为了保证计算精度,程序还采用精度控制方法。
三. 模拟条件
模型假设等离子体由气体