一.课题研究背景及意义

在一定的温度和压力条件下，物质的状态（固、液、气态）是可以相互转变的。如果对气态提供足够的能量，当气体的温度足够高时，构成分子的原子就会获得足够大的动能，开始彼此分离，能量大到一定程度时，一部分原子外层电子就会摆脱原子核的束缚成为自由电子，失去电子的原子变成带正电的离子，这样的过程就称为气体的电离。电离的气体就称之为等离子体，它是由大量带电粒子（离子、电子）和中性粒子（原子、分子、自由基等）组成的系统。日常生活中很难接触到等离子体，但在自然界中99%的物质都是以等离子形态存在的，我们的地球就是被一弱电离的等离子体所包围，在地球以外的宇宙空间绝大部分也都是等离子体，如太阳以及其他恒星、太阳风、很多的星际物质，而电弧、霓虹灯、日光灯中发光的气体等都是人造的等离子体。等离子体的产生方式有气体放电法，光电离或激光辐射电离法，射线辐照法，燃烧法，冲击波法和场致电离法等。其中，气体放电法产生等离子体的方式主要有电晕放电（corona discharge）、辉光放电（glow discharge）、介质阻挡放电(dielectric barrier discharge，以下简称DBD)、大气压下辉光放电（atmospheric pressure glow discharge）等。电晕放电产生的低温等离子体主要分布在极不均匀电场中的强电场区域，不适合工业大规模的应用，而且这种放电较弱，产生的等离子体及活性粒子的效率较低；辉光放电一般在低气压下进行，需要真空系统，在工业化处理过程中难以连续生产，生产效率低。和以上几种方式相比，介质阻挡放电具有均匀、漫散和稳定的特点，最有广泛的工业生产应用前景。介质阻挡放电(DBD)是一种有绝缘介质插入放电空间的一种气体放电形式。DBD 是产生常压低温等离子体的主要途径之一 ,能够在大气压下产生大体积、高能量密度的低温等离子体,应用前景十分广阔,是适合大规模工业应用的一种气体放电形式。目前 ,DBD 在臭氧合成、CO2 激光器、紫外光源、等离子体显示、材料表面改性和废气处理等方面均获得了广泛的应用。在大气压条件下放电产生非平衡等离子体为各种等离子体工艺带来许多好处。首先是去掉了在高真空设备上的投资，再一个就是为工件的操作带来了便利，提高了工作效率，不必为抽真空和从真空恢复到大气压再耗费过多的时间。等离子体射流放电是基于介质阻挡放电（DBD）发展起来的一种新兴的等离子体放电技术。大气压低温等离子体射流基本放电形式是介质阻挡放电，同时因为有快速气流吹动，气流的存在可以进一步抑制放电过程中可能产生的放电通道过于集中的问题，有利于产生一种稳定而均匀的放电形式；此外，气流的吹动可以把放电空间产生的一些活性成分、激发态粒子、甚至荷电粒子导出放电空间区域，这样就可以实现放电区域与工作区域的分离，使这种放电等离子体发生器具有更大的实用性。目前这种放电等离子体发生器被用于表面清洗，表面处理，消毒灭菌，薄膜制备，废气废水处理等方面。

等离子熔射利用高温等离子射流熔化加载的粉末，并将其高速撞击基体表面而制得具有耐磨、耐腐蚀等特殊功能的涂层或形成近净成型实体，其中用等离子熔射制造金属模具是新发展起来的快速制模方法之一。等离子射流对粉末的作用主要有两方面：一是保证载人的粉末粒子能充分熔化，二是粒子射到基体上时能有足够的速度扩展开并与上一涂层有足够的结合力。因此其温度场和速度场直接影响粉末到达基体的熔融状态和速度，并对零件或模具的质量产生很大影响．然而，等离子射流的上万度的温度和每秒数百米的速度，实测困难且成本高，因而等离子射流场的模拟在等离子的应用领域受到高度重视。同样，在对温度比较敏感的材料进行处理或杀菌时，为了不损坏处理的材料且需要电子的温度很高,而其它粒子的温度较低或者为室温状态。了解电子的温度场与速度场的分布，对提高材料处理的速率和杀菌的效率有很大帮助，但是在大气压下，一些用于低气压等离子体中的成熟的诊断技术就不再适用了。例如，在大气压下，由于电子平均自由程比德拜长度要短，因此电子温度就不能用朗缪探针来测得，而同时每秒几百米的速度让实测困难且成本高，如果想要获得更详细的射流特性，数值仿真的方法模拟等离子体的射流过程是十分必要的。

二.国内外现状

目前，研究人员大多采用实验方法通过在实验室建立相应的实验装置来研究不同条件下等离子体射流的放电特性，将实验室的研究结果推广到大规模工业应用中。但由于等离子体射流的放电特性受外部运行参数、反应器结构和气体条件等因素影响较大，实验时工作量繁琐，有时很难得到准确的结果。近年来，通过建立合适的等离子体射流等效模型来模拟其放电情况，进而研究等离子体射流的放电机理及特性受到了研究人员的广泛关注。仿真等离子体射流的两个模型主要有单针结构模型和针环结构模型。仿真方法有Matlab、可变电阻和数值模拟3种。其中Matlab仿真的电气模型可以参照介质阻挡放电和气隙模型进行研究。近几来，国内外一些研究小组对大气压等离子体射流各式各样的发生装置进行了研究。

A.H.Daliwari[1]等研究了不同环境气体对等离子体射流温度和速度场分布的影响，并且他们和实验结果进行了比较。由于缺乏可靠的边界条件，在射流入口处，所采用的是抛物线性的温度和速度分布，同时还对入口处不同温度和速度分布对计算结果的影响进行了研究，通过研究表明等离子体射流入口处的温度分布和速度分布对等离子体射流特性影响非常大。

Ferrari[2]等人的研究通过一维差分法和二维有限元计算的结合，对颗粒的沉积过程、构件内的温度演化和分布、热残余应力的大小等诸多方面进行了系统的模拟。

Sakaki[3]等人建立了不锈钢粉末在超音速火焰喷涂过程中的飞行行为和飞行过程中氧化过程的数学模型，并模拟了颗粒的飞行时间和熔化程度与喷涂距离的关系。

Ulataba[4]等人经数值模拟分析了给定喷枪参数条件下，焰流的马赫数、压力、速度和温度及粒子的速度、温度沿轴线的变化规律。

Ahmed[5]等人介绍了不锈钢粉末在超音速火焰喷涂过程中的飞行行为和飞行过程中氧化的数学模型，模拟气流及 5种粒度的粉末在不同喷涂距离的速度值、热传递系数、表面温度及在雾化气流分别含 10%,20%氧气的情况下粉末氧化层厚度与飞行时间的关系。