脉冲等离子体球磨放电的数值模拟研究

为了研究等离子体球磨罐内部的放电机理，并探索在球磨罐中所添加的磨球材质对放电的影响，本文根据流体理论对球磨罐设备进行了二维建模，模拟了在三种情况下(无填充磨球、氧化铝填充磨球和不锈钢填充磨球)一个脉冲电压周期内球磨罐放电腔体中的放电过程，通过数值分析来对比仿真结果中的各种放电参数，并结合实际球磨罐运行时的放电图片和仿真结果图片体现了建模仿真的可靠性。结果表明，添加金属材质磨球时的放电电流幅值(5.0 A)较无磨球(3.5 A)和氧化铝磨球(3.7 A)情况下都要高，对于放电过程中的最大电子密度，添加金属磨球情况下(2.52 e12/cm3)较无磨球(5.48 e11/cm3)和氧化铝磨球(8.25 e11/cm3)情况下都要高，同时对于像平均功率密度、电子温度和亚稳态粒子密度等参数，都是以金属磨球情况下的数据最大，氧化铝磨球情况下次之，无磨球情况下最小，可见填充磨球可有提高球磨罐内的放电强度，填充金属材质磨球时的这种提高更加显著。

球磨技术主要是利用球磨介质对粉体材料进行反复长时间的激烈机械冲击碰撞， 使粉体在反复冷焊、断裂中实现原子扩散，以获得超细的合金化粉末的一种材料制备方法。然而就目前而言，传统球磨技术在材料的制备上存在低效率、长耗时和高污染等缺点。通过加入叠加辅助物理场可有效实现球磨效率的提高， 这是新型球磨技术的主要研究方向[1] [2]， 在球磨设备中加入等离子体生成装置是外加辅助场的有效方式之一，其中填充介质阻挡放电(DBDP)由于其对放电环境条件要求不高的特点，经常被应用生成低温等离子体耦合到球磨设备中。

在含DBDP 的球磨设备中，常用的磨球材质为氧化锆、氧化铝、玛瑙、不锈钢和碳化钨合金等，填充小球的材质一方面影响了空间电场的极化效果，从而决定了DBDP 放电的功率；另一方面不同材质小球的耐磨性、稳定性等也决定了其使用寿命，因此对磨球材质的选取，需要一定的实验对比。然而，在实际的实验研究中，很难确定放电参数的特征，并且填充小球本身也为放电诊断的可见性增加了额外的障碍。计算建模可作为一种辅助工具，用于了解放电特性，并帮助以定向方式优化系统，提供更定量的过程参数关系[3]。

文献[4]-[16]是过去一些关于DBDP 反应器的数值模拟研究。

Kang [4]等人在2003 年设计了铁电填充放电的二维模型，对比了无填充层、单层填充和双层填充的放电效果，但没有考虑任何等离子体化学反应；Van Laer 和Bogaerts [5]等人在2016 年设计了纯氦气的填充床DBD 二维轴对称流体模型，通过两种互补关系的填充结构， 强调了“放电通道”和介质接触点处的强放电两个理论；同样， Van Laer 和Bogaerts [6]等人在2017 年利用二维流体模型研究了放电间隙尺寸和填充材料的相对介电常数对放电特性的影响， 发现过于细窄或宽大的间隙都会抑制放电的进行；Gadkari 和Sai Gu [7]等人在2018 年采用了三维包装下的二维模型，研究了无填充、部分填充和全填充情况下DBDP 放电特性的比较，发现部分填充会增强腔