电场下等离子体-液滴相互作用的数值模拟

《IEEE Journal of Photovoltaics》：Numerical Simulation of Plasma–Droplet Interactions Under an Electric Field

　　摘要：本文开发了一套耦合的粒子模拟（PIC）与流体体积法（VOF）框架，用于模拟直流负电晕放电条件下的等离子体-液滴相互作用。等离子体采用静电PIC模型描述，并结合蒙特卡洛碰撞方法，追踪电子、N?、O?和O?，自洽地解析主导漂移区的负离子空间电荷。液滴被视为漏介电不可压缩流体，由Navier–Stokes方程控制，采用VOF界面追踪、壁面接触角边界条件以及Navier滑移移动接触线模型；界面处带电粒子的吸收自洽地更新液滴自由电荷。电力体积力采用Korteweg–Helmholtz密度表达式，包含库仑力和介电泳力（DEP）贡献，并与Maxwell应力控制面积分结果进行了验证，误差在3%以内。采用多尺度耦合方案配合增量式PIC重新收敛，使360毫秒的输运模拟得以可行。计算得到的电晕电流为23 μA，Warburg型平板电流特征（指数n = 4.8 ± 0.3）与Li等人的实验结果吻合，误差在5%以内；模拟的五个时刻液滴位置及峰值速度0.061 m/s也在实验读数不确定度范围内重现了测量结果。力的分解表明，介电泳力主导了输运过程，在刃口下方E2最大值附近作为恢复力改变方向，而库仑力小两到三个数量级，这是因为漏介电弛豫在微秒时间尺度上将通过沉积电荷排至接地基体，使液滴电荷远低于Pauthenier饱和极限三到四个数量级。灵敏度分析和对照实验确认漏介电排流为主导机制，二维近似的误差量化为±30%–50%。