2022 Fiscal Year Annual Research Report
Numerical analysis of atmospheric-pressure nonequilibrium plasma combined with hydrodynamic effects of gases and liquids
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21H01075
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| Research Institution | Tokyo Metropolitan University |
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Principal Investigator |
杤久保 文嘉 東京都立大学, システムデザイン研究科, 教授 (90244417)
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| 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)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 大気圧非平衡プラズマ / プラズマシミュレーション / 流体シミュレーション / プラズマ液体相互作用 / 温度計測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
大気圧非平衡プラズマは高プラズマ密度であるが故に局在化しやすく，ジュール加熱がガス温度上昇を誘発する。また，イオン風による流れも生じる。即ち，流体力学的作用を包含してプラズマ構造，粒子輸送等を考える必要がある。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主な対象とし，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，大気圧非平衡プラズマの理解の深化を目的とする。具体的な研究項目は，(1)プラズマ中の温度計測，(2)流体近似モデルによるプラズマ解析，(3)粒子モデルによるプラズマ解析，である。
項目(1)では，前年度に構築したマッハツェンダー干渉計，干渉縞から局所ガス密度・温度分布を再構成するアルゴリズムの見直しを行い，大気中のノズル－球電極間に発生するアルゴン直流グロー放電中のガス密度・温度分布の計測を行った。また，液体電極を有する大気圧Arグロー放電についても計測を行ったが，温度分布の再構成には至っていない。
項目(2)では，大気圧ヘリウムガス中でノズル－液体電極間に発生する直流グロー放電を対象とした解析を行なっており，直流グロー放電の解析，気体の流体解析，及び，液体の熱伝導方程式を考慮した解析を行なった。陰極降下領域でのガス加熱とイオン風の発生，これに伴う渦の発生，液中への熱輸送に伴う放電と温度場の構造変化を確認した。さらに，液面の局所的な電界に伴う電気流体力学現象を取り込むためにエレクトロスプレーの数値解析にも着手した。
項目(3)については，短ギャップ(200 um)のヘリウム大気圧グロー放電に対してPIC/MCC法により，電子/イオンエネルギー分布を取得する所まで実施した。現在，熱伝導方程式の連成に取り組んでいる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
予定していた研究協力者が体調を崩し研究に従事できなくなったことにより，研究全体の手順の再考が必要となった。
項目(1)については，当初，金属電極に加え，液体電極を用いた場合の計測，解析を行う予定であったが，水面近傍での水蒸気発生に伴う屈折率変化についての検討が終了していないため，温度分布の解析には至っていない。
項目(2)については，ほぼ当初の計画通りに進んでいる。具体的には，気体の流体力学的作用を考慮したプラズマ解析，液体の熱伝導解析を連成した解析を行なった。今後，プラズマ液体相互作用を組み込む予定である。
項目(3)については，PIC/MCC法によるプラズマ解析に熱伝導方式を組み込む予定であったが，熱伝導方程式の組み込みには至っていない。
以上，項目(2)を除き，当初計画からやや遅れが生じている。
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| Strategy for Future Research Activity |
項目(1)のプラズマ中の温度計測に関し，引き続き，液体電極を有する大気圧直流グロー放電を対象とした実験を行う。また，高速度カメラを用いて矩形波電圧印加に伴う温度場の経時変化を調べ，放電生成に伴う温度場形成過程を解明する。更に，液体の温度と速度計測も実施し，気液界面プラズマ（液体電極を有する大気圧直流グロー放電）における気相，液相双方の流れと温度を可視化する。
項目(2)では，気体の流体力学的作用を考慮したプラズマ解析，液体の流体力学的作用の解析に加え，液体中の荷電粒子の輸送，プラズマ液体相互作用を連成した解析を進め，気液界面プラズマにおける熱的な作用、化学種輸送を統合的に解明する。
項目(3)では，PIC/MCC法を用いた粒子コードに対して，熱伝導方程式を連成し，ガス加熱効果を包含した大気圧非平衡プラズマの解析を行う。特に，大気圧非平衡プラズマにおける界面（液面）への電子／イオンエネルギー分布に注力する。
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