专题:等离子体激励气动力学与燃烧学

等离子体激励气动力学与燃烧学是描述等离子体激励条件下绕流物体受力特性、气体流动与燃料着火、燃烧、熄火过程机理的科学,属于空气动力学、气体动力学、燃烧学和等离子体动力学交叉前沿领域,是先进飞行器与动力装置流动控制与点火助燃技术发展的理论基础。本专题主要依托国家科技重大专项基础研究项目、国家级重点实验室基金、国家自然科学基金资助的8篇文章,聚焦国内等离子体激励气动力学与燃烧学领域的研究进展,以期增进国内等离子体激励气动力学与燃烧学领域的学术交流,促进基础研究和技术创新的发展。专题部分内容采用增强出版形式,以加深对论文内容思路与方法的理解。

高功率脉冲磁控溅射等离子体特性与动力学研究进展（英文）

高功率脉冲磁控溅射(HIPIMS)作为一项极具发展前途的物理气相沉积新技术,近年来引起学术界和工业界的广泛关注.HIPIMS技术(也被称为HPPMS)可以提供足够的放电功率来获得极高的电流密度,数值达到几个A·cm-2;同时,可以得到1019m-3量级的高密度等离子体.溅射过程中独特的等离子体特性表明了该技术的突出优势,因此可实现沉积过程的控制和薄膜性能的优化.文中对HIPIMS技术的IV放电特征,电源设计,以及溅射原子离化率进行深入分析.同时,回顾讨论等离子体时间空间演变规律,离化基团输运,薄膜沉积速率等问题的研究进展.

外磁场作用下的磁等离子体动力学过程仿真

磁等离子体动力学推力器是空间高功率电推进装置的典型代表,磁等离子体动力学过程是其核心工作机制.为深入理解外磁场对其工作特性的影响,本文采用粒子云(particle in cell,PIC)方法结合基于自相似准则的缩比模型,进行外加磁场作用下磁等离子体动力学推力器工作过程的建模仿真,通过与实验结果对比验证模型和方法的可靠性,并重点分析推力器点火启动过程的等离子特性参数分布,以及外磁场和阴极电流对推力器工作性能的影响.研究结果表明:阴阳极放电电弧构建是推力器启动和高效工作的关键步骤;外磁场强度较低工况不利于构建稳定放电电弧,等离子体束流集中于轴线附近,推力主要产生机制是自身场加速;外磁场强度较高时,阴阳极放电电弧稳定,推力产生主要机制是涡旋加速,推力、比冲随外磁场强度线性增大;推力器效率随阴极电流和外磁场强度增大而增大;放电电压随阴极电流增大而增大,但随外磁场强度的增大表现出先减小后增大的趋势.

稳态等离子体推进器羽流场数值模拟

采用二维轴对称模型,使用粒子网格法(PIC)和直接模拟蒙特卡洛法(DSMC)相结合的方法,对稳态等离子体推进器(SPT)羽流场进行了数值模拟.采用DSMC方法中的随机取样频率法(RSF)求解粒子碰撞过程,并对比了不同的分配电荷方式、电子运动模型及SPT出口条件时的羽流场.将不同条件计算得到的羽流场中距SPT出口0.1m,0.5m及1.0m处的离子电流密度和电荷密度与实验结果进行了对比,得出在采用面积权重法分配电荷、等熵模型描述电子运动和用实验值设定发动机出口参数时对SPT羽流场数值模拟的电流密度和轴向附近的电荷密度结果与实验结果符合程度较好的结论.

大气压非平衡等离子体甲烷干法重整零维数值模拟

大气压非平衡等离子体由于其独特的非平衡特性,可为甲烷和二氧化碳稳定温室气体分子活化和重整提供非热平衡和活化环境.本文采用了零维等离子体化学反应动力学模型,考虑了详细的CH_(4)/CO_(2)等离子体化学反应集,重点研究了反应气体CH_(4)/CO_(2)摩尔分数(5%—95%)对大气压非平衡等离子体甲烷干法重整制合成气和重要含氧化合物的影响.首先,给出了进料气体不同体积比时电子密度和温度随时间的演化规律,结果表明初始甲烷摩尔分数的提高有利于获得较高的电子密度和电子温度.随后,讨论了主要自由基和离子数密度在不同的甲烷摩尔分数下随着时间的变化规律,并给出了反应气体的转化率、合成气体和重要含氧化合物的选择性.此外,还明确了合成气和含氧化合物主要生成和损耗的化学反应路径,发现甲基和羟基是合成含氧化合物的关键中间体.最后,归纳总结给出了主要等离子体粒子之间的总体等离子体化学反应流程图.

发动机稀燃条件下纳秒脉冲等离子体助燃甲烷/空气的数值模拟

纳秒脉冲放电可产生非平衡等离子体实现辅助燃烧.通过耦合零维等离子体动力学和燃烧反应动力学,建立了发动机纳秒脉冲放电等离子体助燃甲烷/空气的模型.研究表明:相同放电能量条件下纳秒脉冲放电可在上止点附近成功点燃当量比为0.5的稀混合气,而火花放电只能导致最高温度升高124 K,无法点燃缸内混合气.在纳秒脉冲放电条件下,低温时放电产生的激发态N_(2)(A^(3)Σ_(u)^(+))和O(1D)促进了O原子的生成.放电后期,累积的N2振动激发态在驰豫过程释放出了较多的热量,有利于稀燃条件下的点火.电流密度的增大提高了放电过程中激发态、自由基的浓度,发动机最高燃烧温度升高,点火延迟时间缩短,燃烧相位提前.

2018年全国高电压与放电等离子体学术会议在南京召开

2018年10月12-14日，2018年全国高电压与放电等离子体学术会议在南京召开。本次会议由中国电工技术学会等离子体及应用专业委员会主办，南京工业大学电气工程与控制科学学院和河海大学江苏省榆配电装备技术重点实验室联合承办，空军工程大学等离子体动力学国家级重点实验室、西安交通大学电子物理与器件教育部重点实验室和南京苏曼等离子体科技有限公司协办。

中国成立首个等离子体国家实验室

5月12日,中国首个航空等离子体动力学国家级重点实验室在空军工程大学成立。对于大多数人来说,等离子体这种宏观的中性电离气体距离他们的生活实在是太遥远了。

航空等离子体动力学：未来新型飞行器/发动机的重要技术支撑

新一代航空器和反导体系的发展，均离不开新的技术支撑。航空等离子体动力学被航空发达国家列为重点发展的基础领域之一。文章从等离子体流动控制改善气动性能和推进效能、等离子体材料处理与表面强化以及磁流体动力与等离子体点火助燃等方面，阐述了这一新技术诱人的发展前景。

吴承康先生纪念专刊序

2023年12月25日是《力学学报》原主编吴承康先生逝世一周年纪念日.吴承康先生(图1)是中国科学院院士,我国燃烧学、高温气体动力学、等离子体动力学专家.他在燃烧理论、高速飞行器防热和再入通讯、等离子体技术等方面取得了一系列开拓性成果,为我国航天事业和能源工程做出了重要贡献.

大电流真空电弧收缩现象的研究

本文从等离子体动力学基本方程出发,结合电磁场理论的基本方程,推导出了真空开关在外加纵向磁场情况下,弧柱中自生磁场所满足的方程。并据此利用渐近分析方法分析了真空电弧中弧柱的磁收缩物理过程和电流密度分布,最后分析了电极参数对电弧收缩的影响。

非理想MHD效应与m=1内扭曲模本征方程

对非俘获粒子与俘获粒子分别采用流体和单粒子模型，推导了同时包含各种非理想ＭＨＤ效应的ｍ＝１内扭曲模本征方程。这些效应包括有限电阻、反磁漂移、俘获离子引起的增大的极化漂移与横向粘滞、沿力线电子热导、反常电子横向粘滞、俘获离子香蕉轨道宽度及自举电流等效应。所得到的ｍ＝１内扭曲模本征方程，为研究不同情况下各种非理想ＭＨＤ效应的相对重要性及可能对ｍ＝１内扭曲稳定性的影响，提供了一可靠的基础。

系统和负载参数对喷气式Z箍缩过程的影响

利用改进的零维雪铲模型计算了喷气式Z箍缩装置的系统和负载参数 (系统特征电感和电阻、气柱质量和外半径等 )对电流波形和箍缩动力学过程的影响。结果表明 ,电流波形和箍缩过程对系统特征电感和电阻的变化非常敏感 ;气柱质量和外半径对电流波形的影响不大 ,仅影响等离子体箍缩到心的时间和速度 ;电感和运动阻抗随箍缩过程的进行而增大 ;Z箍缩装置的能量转换效率是较高的。

质谱分析科学的新进展—记黄本立院士和他所在团队的科研活动

黄本立院士及其所在的科研团队在质谱领域做了大量的开创性的研究工作,若干工作在国内外起到了引领作用。在仪器研制方面:1) 样品离子引入与飞行路线正交,避免不同元素动能对分析的影响;2) 采用飞秒级极窄脉冲和7 ×1013 W/cm2高辐照的激光器,大大减少基体效应和元素的分馏效应;3) 用氦作缓冲气体,适度冷却等离子体及避免周围空气的卷入,降低多价离子和多原子离子的干扰,获得明晰的谱线和清晰的背景;这些改进使质谱技术的分析性能达到前所未有的高度,如分辨率达7000,检出限达10?6~10?7 g/g,覆盖6~7数量级的动态范围。为等离子体的基础研究和质谱广泛的应用奠定了坚实的基础。在基础研究方面:1) 激光诱导等离子体离子动能分布研究,获得了等离子体形成和发展动力学知识;2) 探索激光诱导等离子体温度与激光波长、脉冲宽度、激光能量、辅助缓冲气体压力和样品硬度等之间的关系,为获取最优的分析性能提供了理论依据;3) 辅助缓冲气体离子源的研究,有效地降低离子的动能和多价离子的干扰。4) 建立飞行时间质谱仪二维分离技术,通过离子的初始动能及其质荷比的不同实现二维分离,实现了把分析物离子从多价离子和气体类离子中分离出来。在应用方面,把质谱分析技术应用范围扩大到前所未有的广度,若干应用具有里程碑意义:1) 半定量无标准固体中金属和非金属元素的直接分析;2) 古瓷碎片分析;3) 薄层剖面分析;4) 形态分析;5) 矿物分析;6) 有机化合物分析;7) 生物样品分析。

粒子云网格方法在大尺度湍流磁重联研究中的应用和进展

作为汪景琇院士主持的中国科学院数理学部"天体辐射磁流体力学"战略研究项目组成部分^([1]),从等离子体的动力学属性出发,介绍了用于研究等离子体与周围磁场结构相互作用的粒子云网格方法,及其在研究具有复杂等离子体和磁场结构的磁重联过程中的应用。这里提到的磁场与等离子体的复杂性包括变化的等离子体β值,磁重联电流片中包含有多种尺度的结构,以及这些结构之间的相互作用,而且这些结构的尺度变化范围很大(从105km变化到102km)。进一步探讨了该方法在太阳物理领域,特别是在太阳爆发磁重联过程方面的可能应用以及未来的发展;并为项目研究中其他部分在数值方法^([2–5])和太阳物理^([6,7])方面提供借鉴和补充。

尺寸形貌对硅纳米锥阵列结构反射特性的影响

为了探讨不同尺度和形貌的硅纳米锥阵列结构表面的光学特性,采用基于纳米粒子自组装薄膜掩蔽的亚微米干法刻蚀工艺,在硅基材表面制备了纳米锥阵列结构,并对纳米锥阵列结构进行了形貌表征及光学测试。结果表明,采用SF6和C4F8混合气体,其体积流量分别为12sccm和27sccm,功率750 W,偏压25V时,可以获得光学减反射性能优异的纳米锥阵列结构。通过调节刻蚀时长获得形貌相似而尺寸不同的硅纳米锥阵列结构。200nm和400nm周期硅纳米锥阵列结构表面具有2%～3%的反射率,而800nm周期硅纳米锥阵列结构表面则接近于硅基材背面的反射率并高于10%,说明亚波长结构的减反射特性更加显著。从实验上揭示了尺寸形貌对硅纳米锥阵列结构反射特性的影响规律,为进一步研究光学器件方面的应用提供了参考。

非平衡等离子体点火助燃的研究进展

从等离子体点火助燃燃烧实验、等离子体助燃的先进激光诊断和等离子体助燃机理三个方面进行概述,总结近些年来国内外对非平衡等离子体点火助燃研究的主要成果。等离子体辅助点火燃烧的最新进展有:辅助冷焰进行的燃烧学基础研究,辅助低热值燃料以及氨等的相关实验研究,等离子体强化贫燃火焰稳定性的研究,混合不同类型放电等离子体点火助燃的仿真计算以及等离子体助燃仿真新模型的建立等。认为在等离子体辅助点火燃烧技术的研究仍应以实验研究为主,积累大量实验数据和经验以支撑进一步的研发和应用;并且在实验中,应多结合不同等离子体以及不同类型等离子体的特点,充分利用其优点,使用混合放电最大化其作用效果。