JPhysD编辑优选：火花等离子体射流点火器的多物理场数值模型
文章介绍
Xiaochi Ma（马啸驰）, Yifei Zhu（朱益飞）, Yun Wu（吴云）, Xiancong Chen（陈贤聪） and Bingxuan Lin（林冰轩）
通讯作者：
- 朱益飞，西安交通大学
- 吴云，西安交通大学
研究背景：
等离子体点火借助等离子体放电而产生的大量热量和高能带电粒子(如电子、离子、激发态粒子和原子或分子的自由基等)以启动燃烧的一种新型点火方式，其点火燃烧过程是一个气体放电、流体动力学和燃烧化学反应共同参与的多物理场耦合过程。为了帮助设计和优化等离子体点火器，建立多物理场耦合的数值模型是其中一项具有挑战性的任务。
研究目的：
本工作旨在建立一个自洽的多物理场数值模型，以描述火花射流等离子体点火器内的放电等离子体和气体流动。借助此模型研究了气体放电发展和加热的特性、初始火核的演化以及输运效应。
研究内容：
对一种火花射流等离子体点火器建立了数值模型，其计算域示意图如图1所示，前期实验装置示意图如图2所示。
图1 火花射流点火器模型的示意图。(a)点火器计算域的三维视图，(b)点火器结构(z轴左侧)和计算域(z轴右侧)的2D视图
图2 实验装置示意图
研究其从放电产生到初始火核形成的过程，并将工作过程分为了三个阶段：
(1)放电发展/传播阶段: 此阶段持续时间约为几十个纳秒，描述了点火器放电腔内由高压产生等离子体流注到火花发展，并形成放电通道的过程。此阶段认为是非平衡等离子体。
图3 放电传播阶段的电子密度分布。红色部分代表阴极和阳极，蓝色部分代表电介质壁。(a) t=20ns，(b)t=32ns，(c)t=44ns，(d)t=56ns，单位：m^−3
(2)气体加热阶段: 此阶段为从放电通道形成开始到放电结束之间的气体加热过程，采用局域热力学平衡的假设，描述了放电腔内等离子体的能量沉积以及对气体的加热效应。
图4 气体加热阶段平衡电弧放电中的温度演变。(a)t=2µs，(b)t=6µs，(c)t=10µs，(d)t=14µs，单位：K
(3)射流阶段: 此阶段从放电通道形成开始到高温射流从点火器喷出的微秒时间尺度下的物理过程，重点关注气体加热造成的流体动力学效应，即高温的初始火核在放电腔外形成以及组分输运过程，其中气体加热在前一个阶段进行了解耦和预计算。将此阶段的计算结果与前期实验中的ICCD拍摄的火核图像在同一时刻进行了火核位置和大小的对比，如图5所示。
图5 在(a)t=0µs，(b)t=6µs，(c)t=12µs，(d)t=18µs时，比较火核的实验和计算图像。计算的火核由温度分布表示。第一行显示实验拍摄的火核（分别为前视图和俯视图），第二行显示同一时刻的计算结果。蓝色虚线代表点火器的边界，以0µs作为电流信号触发拍摄的时刻。
结论：
对火花射流点火器的等离子体流体多物理过程进行了数值研究。采用PASSKEy(用于非平衡放电阶段)和COMSOL Multiphysics软件(用于电弧和反应射流阶段)模拟空气中火花喷射点火器的放电和流体动力学特性。
重要性：
将复杂的击穿放电-平衡放热-组分输运点火器过程解耦研究，可为点火器的设计、制造和优化提供帮助，为发展多物理场耦合的等离子体点火数值模型提供工作基础。
作者介绍
吴云 教授
西安交通大学
- 吴云，博士，教授。主要从事航空发动机气动与燃烧、等离子体流动控制与点火助燃研究。
朱益飞 副研究员
西安交通大学
- 朱益飞，博士，副研究员。研究领域为等离子体流动控制与点火助燃，低温等离子体计算和反应动力学。
马啸驰 博士研究生
西安交通大学
- 马啸驰，博士研究生，研究领域为等离子体与多物理场耦合数值模拟。
期刊介绍
- 2022年影响因子：3.4 Citescore：5.9
- Journal of Physics D: Applied Physics（JPhysD，《物理学报D：应用物理》）发表应用物理各领域的前沿研究和综述，具体包括：应用磁学和磁性材料、半导体和光子学、低温等离子体和等离子表面相互作用、凝聚态物理、表面科学和纳米结构、生物物理以及能源等六个领域。文章类型包括原创性论文、研究路线图、通讯以及每年针对热点研究的专题综述和特刊。