Investigation of microwave discharges in air on the basis of extended hydrodynamic model

Abstract

Данная работа посвящена моделированию сверхвысокочастотного плазменного разряда в воздухе на основе расширенной гидродинамической модели. Целью работы является изучение влияния различных физико-химических процессов на газодинамические параметры. Была составлена численная модель прохождения смеси газов азота и кислорода через СВЧ плазменный реактор, в котором под действием СВЧ излучения частотой 2.45 ГГЦ происходит разряд. Модель строится на основе сокращённого набора плазмохимических реакций, в который входят ионизация атомов и молекул азота и кислорода, возбуждение электронных степеней свободы, диссоциация молекул, их рекомбинация, а также другие плазмохимические реакции. Расчёт был произведён для двух значений давления: 150 Торр и 760 Торр. В результате были построены графики и поля распределения таких параметров как плотность электронов, температура газа, мощности источников нагрева для каждого механизма. На основе анализа этих графиков были сделаны выводы об влиянии давления и механизмов нагрева на параметры плазмы.

The present study is devoted to modeling a high-frequency plasma discharge in air based on an extended fluid-dynamic model. The aim of the work is to study the influence of various physico-chemical processes on the gas parameters. A numerical model was developed for propagation of electro-magnetic waves through the mixture of nitrogen and oxygen in a microwave plasma reactor, in which a discharge occurs due to microwave radiation with a frequency of 2.45 GHz. The model is based on a reduced set of plasma chemical reactions, which includes ionization of atoms and molecules of nitrogen and oxygen, excitation of electronic degrees of freedom, dissociation of molecules, their recombination and other chemical reactions that occur in plasma. Modeling was performed for two pressure values: 150 Torr and 760 Torr. As a result, distribution fields of parameters such as electron density, gas temperature, and heating source power for each mechanism were obtained. Results were analyzed and conclusions were drawn about the influence of pressure and heating mechanisms on plasma parameters.