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論文題目「反応性高周波熱プラズマの数値解析」

杉本憲昭

高周波熱プラズマは、様々な産業応用に利用されている。例えば、超微粒子の合成、各種廃棄物の処理、CVD、プラズマスプレーなどがある。熱プラズマには高温という利点だけでなく、反応性という利点があり、反応性熱プラズマは高温と反応性を必要とするプロセスには極めて有効である。比較的低温で解離する酸素は高い反応性をもっている。このため、廃棄物の減溶化や安定化などに有効な手段であり、この酸素を用いた新しいプラズマプロセスの開発が必要とされている。これらのプラズマプロセスを産業応用で有効に使うためにはプラズマシュミレーションを用いてプラズマの特性を把握することが重要である。そこで、本研究では反応速度を考慮した高周波酸素熱プラズマの数値解析を行い、その特性について検討した。

熱プラズマを解析するには、その物性値を正確に知る必要がある。本研究では輸送係数をChapman-Enskog法で求め、高い次数の推算式を数値計算に組み込んだ。この方法は、精度は高いが計算時間が大幅にかかるため、数値計算に組み込まれる計算式は近似式などが使われていた。しかし、最近のコンピュータの発展に伴い計算時間が大幅に短縮され、精度の高い計算式である高い次数の推算式を組み込むことが可能になった。

本研究は、反応平衡モデルで数値解析を行い、入力電力、および入力周波数による影響、そして一般的なプラズマガスであるアルゴンプラズマとの比較を行った。次に反応速度を考慮して数値解析を行い、反応平衡モデルの結果と比較し、そのずれについて検討した。反応平衡モデルにおいて、入力電力、および入力周波数の変化に対してプラズマの体積がほとんど大きくならなかった。酸素プラズマはアルゴンプラズマに比べ、プラズマが中心に集まった。エネルギー効率は酸素プラズマの方が高くなった。これらは、酸素分子が4000 Kほどで解離するためである。反応速度を考慮した数値解析においては、反応速度と拡散の効果が大きく、無視できなかった。これは、解離、イオン化の反応速度、および拡散による影響である。これまで酸素は反応速度が速く、熱平衡が仮定できると考えられていたが、速度論的検討が必要であることが分かった。さらに、数値解析の繰り返し計算を行うたびに、濃度と温度から熱伝導度、粘性係数、電気伝導度などの輸送係数を計算することが重要であることを明らかにした。


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