| 低温等离子体流动的非平衡近似及数值模拟 |
| 英文题名 | Non-equilibrium Approximation and Numerical Simulation of Low-temperature Plasma Flow
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| 杨弼杰
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| 导师 | 孙泉华
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| 2015
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| 学位授予单位 | 中国科学院研究生院
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| 学位授予地点 | 北京
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| 学位类别 | 硕士
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| 学位专业 | 流体力学
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| 摘要 | 低温等离子体技术广泛应用于微电子、材料、医疗和航空航天领域，尤其在集成电路生产和空间电推进中发挥着不可替代的作用。不同于中性气体的流动，等离子体的流动过程不仅与电磁场相互耦合，而且往往伴随着明显的热非平衡、化学非平衡现象。这种流动的复杂性给理论研究和实验测量都提出了巨大的挑战，因而采用合理的近似模型进行数值模拟，已经成为其机理研究及技术发展的有效研究手段。在数值模型中，流体模型相对于粒子模型，计算成本较低，能够在保证一定精度的前提下，处理较高气体压力和较大几何尺寸的问题。因此，本文采用流体模型对低温等离子的流动和放电过程进行数值模拟分析。 文中首先从Boltzmann方程出发，推导低温等离子体流动的守恒方程，从物理上揭示低温等离子体流动过程中的影响因素；结合漂移扩散假设，给出了离子和电子通量及输运系数的近似表达形式。为考虑等离子体流动的热非平衡效应，文中分别针对电子和重粒子求解能量守恒方程，并在能量方程中考虑了电子和重粒子之间因弹性和非弹性碰撞引起的能量交换、分子内部结构以及扩散引起的焓流。化学非平衡效应则在求解每种化学组分的输运方程中体现。此外，文中还通过N-S方程与Maxwell方程组的耦合求解，得到与流场相自洽的电磁场。数值格式采用基于有限体积的SIMPLEC算法，其中采用Riew动量插值方法解决了SIMPLE算法的同位网格困难。 在低温等离子体流动的研究和应用中，低温射频放电和直流电弧放电是两种重要的放电形式。低温射频放电过程存在局部电荷“非准中性”现象，数值模拟需要求解较为完整的放电方程，对其进行研究有利于考察本文的数值模型的准确性。直流电弧放电，伴随着较高的压力和流速，化学非平衡现象更为明显，且空间电弧放电还伴有气流流动从连续到稀薄的过程，具有较高的科研价值。因此，本文分别针对低温射频放电和直流电弧放电下的三种工况进行了数值模拟。 作为低温射频等离子体技术在半导体制造业中的重要应用, 电容耦合式发生器（CCP）因其放电均匀的特点，近年来重新成为该领域的研究热点。因为气体压力低，频率变化快，CCP在放电过程中会伴随明显的非平衡以及局部电荷的“非准中性”现象。利用上述流体模型，文中研究了氩气在行业标准模型GEC-CCP下的放电情况，并通过数值与实验结果的比较，验证了流体模型的准确性。在此基础上，进一步研究了电压、气体压力及载气流量对基板氩离子数密度通量分布的影响。结果表明，提高电压能够有效增加刻蚀速度；较高的气体压力可以使加工工艺更加均匀；而载气流量在达到一定量时也会对氩离子数密度通量产生影响。 相比低压射频等离子体放电，直流电弧放电的能量密度要高出很多。其中，大气压直流电弧放电因其可控性好、气源洁净，常应用于焊接、切割、喷涂等领域。为了进一步验证上述流体模型对直流放电模拟的适用性，文中模拟了氩气在一个大气压下的自由弧燃烧问题。研究表明，电子和重粒子在中心弧柱区接近热力学平衡态，但随着位置向电极靠近，热非平衡效应逐渐加强。这一结论与发射光谱测得的实验结果吻合较好。 电弧加热式发动机（Arcjet）是直流电弧放电的另一个重要应用。不同于自由弧燃烧，Arcjet中的气体流动经历了从连续到稀薄的过程。此外，因为喷管中气体速度高，喷管尺寸小，流动过程伴随着更为明显的化学非平衡效应。针对这个问题，首先计算了一个NASA构型并同其实验结果进行了比较，两者结果吻合较好。在此基础上，考虑了滑移边界条件以及气体流量的影响。研究表明，比冲会随着比功率的增加而增大；电弧会随着流量的增加向膨胀段出口移动，并且表现出更强的扩散性；而稀薄气体效应使得膨胀段壁面出现明显的速度和温度滑移。 |
| 索取号 | 31262
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| 语种 | 中文
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| 文献类型 | 学位论文
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| 条目标识符 | http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/55104
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| 专题 | 高温气体动力学国家重点实验室
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推荐引用方式
GB/T 7714 |
杨弼杰. 低温等离子体流动的非平衡近似及数值模拟[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2015.
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