复杂等离子体绕障碍物流动的动力学结构形成的实验研究

我们报道了复杂等离子体绕球形障碍物流动的动力学行为的实验观测。实验在 $\Pi$ 形直流辉光放电装置中进行，以高岭土颗粒作为尘埃组分置于氩气等离子体背景中。通过维持抽速与气体流速形成静止尘埃云。竖直安装于阴极托盘上的球形障碍物充当尘埃颗粒流动的障碍。通过质量流量控制器降低中性气体质量流量以产生受控尘埃流。流动的尘埃颗粒受到带负电球体的静电场排斥，在障碍物周围形成无微粒区域（尘埃空洞）。远处颗粒被悬浮障碍物吸引，并在到达最小距离后被反射，从而在障碍物周围造成环形结构。我们表征了该结构在不同尘埃流速与障碍物偏压范围内的形状。对于绕带负偏压障碍物的超声速尘埃流体，在球体上游侧形成弓形激波，而在特定流速范围内于下游侧观测到波结构生成。此情形下的雷诺数估计为 $R_e \gtrsim 50$。该波结构令人联想到冯·卡门涡街形成的开端。基于离子拖曳、中性流与电力的观测结构物理图像进行了讨论。