COMSOL 大气压空气直流正电晕放电仿真：探索微观世界的电与粒子之舞-优快云博客

COMSOL大气压空气直流正电晕放电仿真，考虑空气中近三十种放电反应。可以得到各种粒子时空分布、电场分布、脉冲电流等。

最近在研究大气压空气直流正电晕放电，选用了 COMSOL 这个强大的工具进行仿真，过程十分有趣，今天就来和大家分享分享。

为何选择 COMSOL

COMSOL 作为多物理场仿真软件，在处理这类复杂的物理过程时有着得天独厚的优势。它能够将各种物理场耦合在一起，精准模拟放电过程中的电场、粒子反应等多种现象。

近三十种放电反应的考量

在大气压空气环境下，放电反应极其复杂。空气中包含多种气体成分，如氮气（N₂）、氧气（O₂）等，这些气体在放电过程中会发生一系列复杂的化学反应。我们考虑了近三十种放电反应，这些反应构成了整个放电过程的微观基础。

例如，简单的电子碰撞电离反应：

e + N₂ → e + N₂⁺ + e

在这个反应中，一个高能电子（e）撞击氮气分子（N₂），使其电离产生一个氮气离子（N₂⁺）和两个电子。这只是众多反应中的一个基础反应，实际的反应网络更加庞大且相互关联。

又如，涉及氧气的反应：

e + O₂ → e + O₂⁺ + e

氧气分子在电子撞击下也会发生电离，生成氧气离子（O₂⁺）和额外的电子。这些离子和电子在电场作用下不断运动、反应，共同构建起整个放电的动态过程。

仿真能得到什么

各种粒子时空分布：通过 COMSOL 仿真，我们可以直观地看到不同粒子在空间和时间维度上的分布情况。以电子为例，在放电初始阶段，电子主要集中在电极附近，随着放电的进行，电子会在电场作用下向周围扩散。

% 假设这里有一段简单的代码获取电子浓度分布数据
time = 0:0.01:1; % 时间范围
electron_concentration = zeros(size(time));
for i = 1:length(time)
    % 这里通过调用 COMSOL 仿真数据接口获取电子浓度，实际代码更为复杂
    electron_concentration(i) = get_electron_concentration(time(i)); 
end
plot(time, electron_concentration);
xlabel('时间 (s)');
ylabel('电子浓度 (m⁻³)');
title('电子浓度随时间变化');

这段简单的代码示意了如何获取并绘制电子浓度随时间的变化曲线。从曲线上，我们可以清晰地看到电子浓度在不同时刻的变化趋势，了解放电过程中电子的动态行为。

电场分布：电场是驱动放电反应的关键因素。COMSOL 能够精确模拟出电极周围以及整个放电空间内的电场分布。

import comsol as cl

# 连接到 COMSOL 模型
model = cl.model()

# 获取电场数据
electric_field = model.get('electric_field');

# 假设这里简单绘制电场强度在某一平面的分布
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

x = np.linspace(-0.01, 0.01, 100);
y = np.linspace(-0.01, 0.01, 100);
X, Y = np.meshgrid(x, y);
E = np.zeros((100, 100));

for i in range(100):
    for j in range(100):
        E[i, j] = electric_field.get_value(X[i, j], Y[i, j]);

plt.contourf(X, Y, E);
plt.colorbar();
plt.title('某一平面电场强度分布');
plt.xlabel('X 坐标 (m)');
plt.ylabel('Y 坐标 (m)');

从绘制出的电场分布图中，我们可以观察到电场强度的强弱区域，电极附近电场强度通常较高，这也是放电起始的关键区域。通过分析电场分布，我们能更好地理解放电的起始、发展以及维持机制。

脉冲电流：放电过程中会产生脉冲电流，它反映了放电的强度和稳定性。通过 COMSOL 仿真，我们可以监测到脉冲电流随时间的变化。

program pulse_current
    implicit none
    real :: time(1000), current(1000)
    integer :: i

    do i = 1, 1000
        time(i) = (i - 1) * 0.001! 时间步长 0.001s
        current(i) = get_pulse_current(time(i))! 假设获取脉冲电流的函数
    end do

    open(unit = 10, file = 'pulse_current.txt')
    do i = 1, 1000
        write(10,*) time(i), current(i)
    end do
    close(10)
end program pulse_current

这段 Fortran 代码展示了如何记录脉冲电流随时间的数据，并将其保存到文件中。通过分析这些数据，我们可以进一步研究放电过程中的能量转移和损耗等问题。

总结

通过 COMSOL 对大气压空气直流正电晕放电进行仿真，考虑近三十种放电反应，我们能够深入了解放电过程中的粒子行为、电场特性以及电流变化。这些结果对于优化放电设备、提高放电效率等实际应用有着重要的指导意义。同时，通过代码的辅助分析，我们能更直观地从数据层面理解仿真结果背后的物理过程。希望这篇博文能给对相关领域感兴趣的小伙伴一些启发，欢迎一起交流探讨。