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Numerical analysis of atmospheric-pressure nonequilibrium plasma combined with hydrodynamic effects of gases and liquids

Research Project

Project/Area Number 21H01075
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 14030:Applied plasma science-related
Research InstitutionTokyo Metropolitan University

Principal Investigator

Tochikubo Fumiyoshi  東京都立大学, システムデザイン研究科, 教授 (90244417)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 中川 雄介  東京都立大学, システムデザイン研究科, 助教 (80805391)
Project Period (FY) 2021-04-01 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥15,080,000 (Direct Cost: ¥11,600,000、Indirect Cost: ¥3,480,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000)
Fiscal Year 2021: ¥6,890,000 (Direct Cost: ¥5,300,000、Indirect Cost: ¥1,590,000)
Keywords大気圧非平衡プラズマ / プラズマシミュレーション / プラズマ液体相互作用 / ガス温度計測 / 流体シミュレーション / 温度計測
Outline of Research at the Start

大気圧非平衡プラズマは高プラズマ密度且つ局在化しやすいためにガス温度上昇やイオン風を誘発しやすい。即ち,流体力学的作用を包含してプラズマ構造,気相反応,荷電粒子やラジカルの輸送を考える必要がある。気液界面プラズマでは,これらに加えて液体の加熱と蒸発,流動が起こる。本研究は液体を電極とした直流グロー放電で構成される気液界面プラズマを対象とし,気体と液体の流体力学的作用を連成した大気圧非平衡プラズマの数値解析を実現し,得られた知見を包含した気液界面プラズマの学理を構築する。

Outline of Final Research Achievements

In atmospheric pressure non-equilibrium plasmas with high plasma density, local gas density and gas flow are caused by the gas temperature rise due to Joule heating, therefore, it is necessary to consider the plasma formation process and charged/neutral species transport process with hydrodynamic effects (especially thermal effects). In this study, plasma analysis, gas and liquid fluid analysis are coupled for atmospheric pressure DC glow discharge with liquid electrode to establish a basis for numerical analysis of atmospheric pressure non-equilibrium plasmas including hydrodynamic effects. The dependence of the ion energy distribution incident on the cathode on the discharge current and gas temperature is also shown by particle simulation. Furthermore, the gas temperature distributions are shown by measurements using a Mach-Zehnder interferometer.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

非平衡プラズマの数値解析においてはガス温度変化やガス密度変化はあまり考慮されてこなかった。しかし、大気圧非平衡プラズマにおいては、高密度のプラズマが局所的に形成されるために局所的ジュール加熱に伴うガス温度上昇が局所的なガス密度低下を招き、更に、ガス流を形成する。即ち、放電物理の基礎として、また、大気圧非平衡プラズマの応用において、上記効果を包含した考察が必要である。本研究では流体力学的作用(特に熱的作用)を考慮した大気圧非平衡プラズマの数値解析のための基盤を構築した。今後、更に様々な物理的・化学的な作用を導入することで、大気圧非平衡プラズマの学理の発展に資するものと考えられる。

Report

(4 results)
  • 2023 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • Research Products

    (19 results)

All 2024 2023 2022 2021 Other

All Presentation (17 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 3 results) Remarks (2 results)

  • [Presentation] PIC/MCC 法による大気圧He直流グロー放電の検証2024

    • Author(s)
      杤久保文嘉,中川雄介
    • Organizer
      第71回 応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] マッハ・ツェンダー干渉計を用いた直流グロー放電のガス温度推定2024

    • Author(s)
      木村蓮,中川雄介,杤久保文嘉
    • Organizer
      第71回 応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 液体電極を有する大気圧ヘリウムグロー放電の数値解析 -ガス・液体の対流-2023

    • Author(s)
      杤久保文嘉,後藤宇輝,中川雄介
    • Organizer
      第33回日本MRS年次大会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Numerical simulation of atmospheric-pressure helium glow discharge with liquid electrode considering gas and liquid dynamics2023

    • Author(s)
      F. Tochikubo, Y. Nakagawa
    • Organizer
      76th Gaseous Electronics Conference
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 流体作用を考慮した液体電極を有する大気圧直流グロー放電の数値解析2023

    • Author(s)
      杤久保文嘉,後藤宇輝,中川雄介
    • Organizer
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] マッハ・ツェンダー干渉計を用いた大気圧グロー放電内のガス温度推定2023

    • Author(s)
      杤久保文嘉, 吉川昇汰, 中川雄介
    • Organizer
      第70回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Coupled simulation of negative corona discharge with electrospray from a liquid Taylor cone2023

    • Author(s)
      S. Katsuno, Y. Nakagawa, F. Tochikubo
    • Organizer
      15th International Symposium on Advanced Plasma Science and its Appliations for Nitrides and Nanomaterials
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Analysis of Physical Properties of Corona Discharge and Droplet Emission in Electrospray2022

    • Author(s)
      F. Tochikubo
    • Organizer
      第32回日本MRS年次大会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Numerical simulation of atmospheric-pressure helium DC glow discharge considering gas dynamics2022

    • Author(s)
      T. Goto, Y. Nakagawa, F. Tochikubo
    • Organizer
      11th International Conference on Reactive Plasmas/2022 Gaseous Electronics Conference
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Numerical analysis of negative corona discharge from the tip of Taylor cone in electrospray2022

    • Author(s)
      S. Katsuno, Y. Nakagawa, F. Tochikubo
    • Organizer
      11th International Conference on Reactive Plasmas/2022 Gaseous Electronics Conference
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 負コロナ放電を伴うエレクトロスプレーの基礎特性と制御2022

    • Author(s)
      杤久保文嘉, M. T. Tabassum, 勝野聡人, 中川雄介
    • Organizer
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] He大気圧直流グロー放電におけるガス加熱・対流を考慮した数値解析2022

    • Author(s)
      後藤宇輝, 中川雄介, 杤久保文嘉
    • Organizer
      第46回静電気学会全国大会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] エレクトロスプレーのテイラーコーン先端における負コロナ放電の数値解析2022

    • Author(s)
      勝野聡人, 中川雄介, 杤久保文嘉
    • Organizer
      第46回静電気学会全国大会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Numerical analysis of plasma-liquid interaction in glow-like discharge2022

    • Author(s)
      F. Tochikubo
    • Organizer
      Gordon Research Conference, Plasma Processing Science
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Study on Plasma-Induced Liquid-Phase Reactions in a Droplet as Reaction Field2022

    • Author(s)
      F. Tochikubo, G. Yokota, Y. Nakagawa
    • Organizer
      2022 MRS SPRING MEETING
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] マッハ・ツェンダー干渉計を利用した大気圧Arグロー放電内のガス温度推定2022

    • Author(s)
      吉川昇汰, 中川雄介, 杤久保文嘉
    • Organizer
      第39回プラズマプロセシング研究会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Prediction of plasma-induced reactions in a droplet placed in an atmospheric-pressure helium plasma2021

    • Author(s)
      F. Tochikubo
    • Organizer
      74th Gaseous Electronics Conference
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Remarks] 東京都立大学・プラズマ応用研究室

    • URL

      https://gdpal.fpark.tmu.ac.jp/

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Remarks] 東京都立大学・プラズマ応用研究室

    • URL

      https://www.comp.tmu.ac.jp/gdpal/index.html

    • Related Report
      2022 Annual Research Report 2021 Annual Research Report

URL: 

Published: 2021-04-28   Modified: 2025-01-30  

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