众所周知，气体放电产生等离子体的过程，伴随着气体加热。工坊君以空气（N2:O2=4:1）为例，结合所知和粉丝分享近期阅读和计算的收获。
众所周知，气体放电产生等离子体的过程，伴随着气体加热。工坊君以空气（N2:O2=4:1）为例，结合所知和粉丝分享近期阅读和计算的收获。 快速气体加热Fast Gas Heating（FGH) 等离子体中的气体加热可以分为两个阶段：I. 电子通过电离、激发将能量转移至气体分子、原子中；II. 激发态粒子通过熄灭、退激、解离等反应，离子通过复合、电荷转移等反应释放能量加热中性气体。 在纳秒-亚微秒时间尺度上的气体加热，可以认为是FGH“快速气体加热”。FGH是纳秒放电下的流动控制中最重要的机理，也是等离子体点火助燃的主要原理之一。 电子能量沉积构成 阶段I.中，通过求解电子Boltzmann方程可以绘制出电子能量在不同电场下转移至各激发态、电离态的比率[1]：
上图明确可见，电场E/N<50Td时，电子能量主要沉积在基态的转动、振动态粒子中，随着电场强度增加，大量的电子能量将沉积在激发态、离解和电离过程中。 FGH反应构成 阶段II. 中，处于不同激发态和电离状态的粒子释放能量的时间尺度存在几个数量级的差别。纳秒尺度上，激发态熄灭会释放大量能量；而振动态之间弛豫和交换（V-T,V-V'）放热则会在微秒以上更长的时间尺度上进行。可见，快速气体加热发生的前提，是由较高的电场，产生大量的高能级激发态粒子。 众多激发态对快速气体加热贡献，也可以绘制成以电场E/N为横坐标的比率图[2]：
图中的数字分别表示反应：1. N2(C)与O2熄灭反应；2. N2(B)与O2熄灭反应；3. 带电粒子反应；4. N2解离与N(1D)熄灭反应；5. O(1D)熄灭反应；6. O2解离反应；7. N2(A)与N2(a)熄灭反应。 需要注意的是，上图的比率是在0维整体模型的基础上，对固定的电子密度初始条件下，施加不同幅值相同脉宽的电场脉冲作用后得到的结果。在实际二维自洽运算中，空间各处FGH能量构成并不能简单的讲图中的比率和E/N相乘得到。下图为一例SDBD中不同反应对FGH能量贡献比率的二维分布（基于[2]反应），其分布规律和上图并不能建立直接联系。
FGH占总沉积能量比率η 工程上更感兴趣的参数，大概是FGH能量占总电子沉积能量的比率了。毕竟，电子沉积能量可以通过回流分流器（实验vs模拟（四）：“优雅”的回流分流诊断法）直接或P=∫UI△t间接测量，FGH无法直接测量，但是如果知道η，就可以直接得到FGH大小，为流体、燃烧计算提供最重要的加热参数。 对于η值目前存在争议，对于本期推送的工况，参见下图红线(Aleksandrov, MIPT)[3]与绿线(Popov, MSU)[2]：
“红线”认为，η随电场增大而显著增大，可达60%；“绿线”（以及后续计算）认为，η随电场增加，但是最大为30%。造成两个团队计算结果的分歧主要在于对离子复合、解离复合过程释放能量途径和大小的争论。“红线”假设之一是高电场下O4+离子复合为O2+O2释放的能量即为离子的电离阈值能量，而“绿线”认为这个假设不符合实验结果，实际途径应为 e+O4+=>O(3P)+O(3P,1D,1S)+O2 所幸的是，大气压放电中这样的高电场一般存在于电子密度较小且电场脉冲时间极短的流注头部，其他区域即使存在如此高的电场（一般在鞘层附近），也往往是尺度非常小（微米级别）或电子密度很小，在实际运算和应用中，“绿线”受到相对更多的认可。 由于要求高电场的存在，纳秒脉冲放电是快速气体加热FGH的常见场景。需要注意的是，在更长时间尺度下（微秒-毫秒），振动态的弛豫和交换对气体加热的贡献，甚至是要超过FGH的，只是，在如此长时间尺度上发生的气体温升，相对缺少工程意义，并且在使用正弦波等周期放电下，长时间的气体加热也会导致温度上升、气压下降、放电拉弧的情况发生，破坏原有的非平衡低温等离子体放电环境。 [1] Starikovskiy A. et al. 2012 Philosophical Transactions of the Royal Society of London A 370 740–773. [2] Popov N. A. 2011 J. Phys. D: Appl. Phys. 44 285201 [3] Aleksandrov N. L. 2010 J. Phys. D: Appl. Phys. 43 255201
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