电弧等离子体射流核脉动的实验研究

电弧等离子体射流中的湍流是等离子体射流的典型物理现象之一，而以往的研究认为射流存在一个处于稳定状态的核心区域，也有人认为这个状态是层流的。本文采用电弧等离子光谱诊断及数字高速摄影的方法对常压电弧等离子体射流核进行了研究，采用了傅里叶变换的方法分析弧电压和射流光谱强度信号，发现电源的交流分量和阳极弧点运动对整个射流核的脉动特性都有体现，射流并不存在一个处于稳定状态的核心区域，相反谱线强度脉动图中可以看到，射流核的脉动是由电弧电压脉动造成的，这可能是射流核脉动的最主要原因。     

颗粒与交流电弧等离子体温度场的相互作用

研究了大气压下交流电弧等离子体温度场与入射颗粒的相互作用．在等离子体连续方程、能量方程中增加一项由颗粒直径及能焓变化引起的源项,对方程组进行无量纲化以及对弧柱边界进行迭代解决了交流电弧等离子体的动边界问题．计算了不同的颗粒入射量、颗粒半径、交流频率、初始弧柱半径和有无对流等五种情况．通过对铝颗粒和氩等离子体的计算表明：颗粒和交流电弧等离子体的相互作用对颗粒的加热历程和等离子体温度场都有重要影响．研究结果适用于交流频率范围10—100Hz.这个范围包括了大多数工业用交流电弧的频率. 关键词：     

磁场中电弧等离子体柱的螺旋不稳定性

讨论了具有抛物互形电流分布的电弧等离子体柱在磁场中的不稳定性问题，从磁流体力学方程组出发，推导出电弧柱扰动满足的方程与边界条件，求得了这些方程的解析解，进而导出了在趋中心电流分布情形下电弧运动所满足的微分方程，由此给出了稳定性判据。将所得结果与均匀电流分布情形做了比较，稳定区域增宽，与实验结果相符。     

大功率长寿命电弧等离子体炬的研制

通过对大功率长寿命等离子体炬的基本特性的深入了解,得到了一套完整的等离子体炬运行参数.制成的等离子体炬功率在80～250kW之间可任意调节,弧电压最高达到490V,热效率最高达到73%,等离子体射流长度大于40cm.研制的等离子体系统运行稳定,性能可靠,阴极烧损量仅为4.1ng.C-1.该等离子体炬已成功地应用于三废处理实验中,运行时间已超过100h.     

激光—双丝复合焊接电弧等离子体温度计算及耦合机理分析

采用光纤式光谱仪,对激光—双丝脉冲MIG复合焊接电弧等离子体辐射规律进行探讨,结合焊接过程中的高速摄像图片探讨激光与电弧的耦合机理,并运用Boltzmann图法计算出电弧等离子体的电子温度。结果表明,加入激光后,电弧的亮度提高,辐射增强,电弧偏向激光作用位置,同时电弧收紧,电弧截面减小,电弧稳定性增强;激光功率、焊接电流和焊丝间距对电弧等离子体温度有比较大的影响,随着激光功率的增加、焊接电流增大和焊丝间距的减小,电弧等离子体电子温度升高。     

二维等离子体电弧随时间演化的数值模拟

采用交错均匀网格、全隐欧拉后差格式,对二维轴对称等离子体电弧进行随时间演化的数值模拟.得到了平衡时的稳态温度场、电流场和随时间演化的气流速度场.发现其中有周期性传播的磁流体激波,激波速度各点不等,约为700～1000m/s,这与实验观测到的等离子体电弧不稳定性现象是一致的 关键词：     

电弧等离子体射流核脉动及射流卷吸的实验研究

湍流是电弧等离子体射流中典型的物理现象之一。以往的研究认为，射流存在一个处于层流状态的核心区域。采用电弧等离子体光谱诊断及数字高速摄影的方法对方法对常压电弧等离子体射流核进行了研究，采用傅里叶变换的方法分析了弧电压和射流光谱强度信号。结果发现，电源的交流分量和阳极弧点运动在整个射流核的脉动特性中都有体现，射流并不存在一个处于稳定状态的核心区域。相反，从谱线强度脉动图中可以看到，射流核的脉动是由电弧电压脉动造成的，这可能是射流核脉动的最主要原因。采用多元素谱线强度法研究了射流对空气的卷吸作用，并通过氮原子谱线强度确定了氮原子数密度在射流中的分布。     

等离子体电弧现象的高速摄影及分析研究

通常TIG（Tungsten Inert Gas）进行不锈钢焊接时，熔深一般为2-3mm，对于厚板材料的焊接就必须来用其它工艺方法，焊接效率低。其原因是TIL焊时电弘在空间上分散，电弧的热流密度和电弧电压强较低。目前国内外为提高TIG焊的熔深，正在研究在焊接工件表面涂数活性焊剂的ATIG（Actire Tungsten Inert Gas）这一全新焊接方法。对ATIG焊时增加熔深的机理，各研究报道多处于假设与猜想阶段，尚无实验证明。本实验中用表面涂敷SiO2、TiO2、氟化物单一纯净物及三者按一定比例混合的混合物，对不锈钢进行TIG焊，通过高速摄影技术及照片分析，对ATIG的等离子体电弧及焊缝熔深进行了实验研究。结果表明：表面涂敷活性焊剂后，TIG焊电弧形态发生显著变化。氟化物使电弧更加分散，而SiO2、TiO2及三者混合物促使电弧明显收缩，电弧内高温等离体流速增大，热量集中。与正常TIG焊相比熔深增加2-3倍，大大提高了焊接效率。     

电弧及辉光微等离子体大气压取样的发射光谱研究

在线化学分析需要实现开放环境下的样品取样和电离/激发。相比于激光切削或者激光诱导击穿,大气压微等离子体系统结构简单,更利于小型化。因而基于大气压微等离子体的在线化学分析技术引起行业的广泛关注。为了确定合适的微等离子体源进行样品的在线元素检测,需要进一步了解各放电模式及工作参数下微等离子体的自身特性以及取样效果。该工作主要研究了电弧及辉光放电微等离子体在大气压下对样品铁取样发射光谱的特性。实现了在开放环境下对高熔点金属样品的在线检测,并发现电弧放电微等离子体与光谱分析源联用具有更高的取样效率。高采样效率的电弧放电微等离子体源为实现金属及难解离样品的检测提供了一种新的方法。同时,相较于传统的取样装置,避免了复杂的样品制备、样品传输过程。实验装置采取简单的针对板放电结构,分别利用高压脉冲电源、直流电源获得电弧放电和辉光放电。实验的结果表明,在放电功率近似相等的条件下,电弧放电产生的微等离子体对样品铁取样的光学发射谱中,样品元素的特征谱线占据主导地位,同时伴随有空气中氮气的谱线,而且铁离子(FeⅡ)谱线的相对强度显著高于氮气分子谱线的相对强度。而在直流辉光放电中,样品铁原子(FeⅠ)谱线相对强度非常不明显。由此说明,电弧放电产生的微等离子体具有更高的采样效率。放电在样品表面留下的溅射坑也得出了相同的结论。增加辉光放电电流到25 mA,发现样品元素铁的谱线仍然没有明显的增强。同时,也研究了采样间距对两种采样模式的影响。实验结果表明,间距对两种模式的采样光谱没有显著的影响。采用主要成分为铝的合金铝箔进行了上述对比实验,得出相同的结论,即电弧放电微等离子体更适合作为光谱分析源来实现对金属样品的实时快速检测。     

直流电弧等离子体点火器化学效应研究

为研究直流电弧等离子体点火器的化学效应,测量了点火器喷出的等离子体射流的发射光谱,分析得到等离子体射流与常压环境空气相互作用产生的粒子种类,通过烟气分析仪定量测量了距离点火器出口8cm处的NO和CO含量,并研究了点火器弧电流、工作介质流量对NO和CO体积分数的影响。实验结果表明:等离子体点火器喷出的等离子体射流与环境空气相互作用可产生活性粒子H,O和N,带电粒子O2+,N2+和激发态粒子N2(A3),N2(B3),N2(C3)和O2(b1)等;增大弧电流、工作介质流量,等离子体射流头部附近NO和CO体积分数增大。     

大面积分散电弧等离子体的ICCD图像分析

用增强型电荷耦合检测器(ICCD)和窄带干涉滤光片相结合的方法拍摄了未饱和氩等离子体的分散电弧的非饱和图像。对不同励磁电流下电弧形态的分析比较,证实了在强电磁力的作用下弧柱趋于扩散。在电弧完全分散条件下,对ICCD拍摄非饱和图像的光强分析,表明分散电弧具有较为均匀的分布。所采集的电弧电压的脉动幅度显著降低,分散电弧稳定运行。实验中观测到了稳定的多阴极弧根和弥散阴极弧根的现象,这表明电弧已扩散。     

直流电弧等离子体法制备纳米粒子实验装置研究

研制了一种实验室用直流电弧等离子体法制备纳米粒子的实验装置,该装置由纳米粒子生成室、阴极、阳极、真空泵和直流电源等组成。其特点是：结构简单、操作方便、成本低。该实验装置可用于制备金属纳米粒子、合金纳米粒子及金属一陶瓷复合纳米粒子。     

阿贝尔逆变换数据处理算法在电弧诊断中的应用

提出了一种由等离子体辐射投影值重建发射系数的阿贝尔逆变换数据处理算法。采用计算简单、变换精度高的Bockasten插值方法实现阿贝尔逆变换积分方程的离散化。在阿贝尔逆变换前,运用傅里叶变换频域低通滤波去除实验数据中的噪声,通过多项式插值弥补数据采样率过低、提高空间分辨力,并对投影数据进行对称化处理以消除数据偏离对称对结果的影响。运用此算法对实验数据进行处理,得到电流200 A、弧长5 mm电弧温度在阴极下方0.5 mm处最高,超过22000 K,与文献中结果一致。该算法能够有效地克服噪声对变换结果的影响,运算速度快、计算精度高、稳定性好,处理大量数据时具有明显的优势。     

亚大气压六相交流电弧等离子体射流特性研究:实验测量

以临近空间高超声速飞行器以及航天器再入大气环境飞行过程"黑障"问题的研究为背景,进行了多相交流电弧放电实验装置的物理设计,建立了六相交流电弧等离子体实验平台(MPX-2015),在背景压力为500 Pa的亚大气压条件下获得了最大直径和长度分别达到14.0 cm和60.0 cm的等离子体射流.研究了工作气体流量、真空腔压强、电极间距以及弧电流等因素对等离子体自由射流和冲击射流特性的影响规律.结果表明:在实验参数范围内,真空腔压强对等离子体的射流特性影响最为显著,等离子体自由射流的长度和直径以及冲击钝体条件下的鞘套有效工作长度和厚度均随着压强的降低而增大;提高沿电极环缝注入的工作气体流量或弧电流亦有利于等离子体鞘套尺寸的增加.上述工作有助于进一步开展临近空间飞行器与其周围复杂介质环境间复杂的气动热效应和"黑障"问题的研究.     

直流双管式电弧等离子体发生器性能研究

利用实验手段研究了双管式电弧等离子体发生器的特性,包括旋流进气特性、伏安特性和运行热效率等,建立了基于双管式电弧等离子体发生器的数学模型。结果表明,旋流流速对电极烧蚀速率有较大影响,电弧电压降和发生器热效率随电流增加而下降,发生器热效率随气流量增大而增大。根据相似理论建立的数学模型能够准确模拟等离子体发生器的负电弧动态电阻伏安特性。以上研究可为大功率、长寿命双管式电弧等离子体发生器的开发及其在材料制备和环境保护领域的应用提供参考。     

氩气电弧等离子体炬提纯大鳞片石墨研究

石墨材料作为一种工业原料,特别是纯度在99.9%以上的高纯石墨被应用在各大高科技领域,现有物理法和化学法的石墨提纯技术成本高、酸碱对设备和环境破坏严重、工艺流程复杂,因此开发一种优良有效的石墨提纯技术,已成为近年来国内外研究的热点。建立了一种利用非转移电弧等离子体炬提纯大鳞片石墨的方法,利用电弧可快速产生高温的特性,对黑龙江省鸡西市纯度为94.18%的大鳞片石墨样品进行高温处理。研究显示在本文电弧装置下提纯石墨的最佳放电参数范围气流量为25 L/min、电流为400 A、功率为10 kW,此时的电弧表面温度高达3350 ℃,利用扫描电子显微镜等对电弧处理前后石墨样品的微观结构对比发现石墨样品出现粉碎、断裂等特点,根据石墨化学分析方法国家标准GB/T 3521 2008对石墨纯度及其杂质进行研究分析,经电弧处理后石墨纯度提高到99.21%。     

电弧放电等离子体诱导激波的计算

基于电弧放电物理过程,分析气动激励机理,建立用于电弧放电等离子体诱导激波数值模拟的爆炸丝传热模型.主要结论有:电弧放电等离子体气动激励的主要机理是热等离子体的热阻塞效应,热电弧放电对于超声速来流而言就像-个具有-定斜坡角度的虚拟突起;理论分析只适用于纵坐标较小的阶段;当传热的功率设为放电功率的10%时,本文所建立的模型能够用于电弧放电等离子体诱导激波的仿真研究;等离子体虚拟斜坡角度及其诱导激波角都随来流总压和速度的增大而减小,随着放电功率的增大而增大,在总压、速度和放电功率较小的阶段这种变化较明显,在总压、速度和放电功率较大的阶段这种变化较缓慢.     

高气压钠电弧的温度分布

本文介绍一种计算高气压钠电弧温度分布的方法,在电弧处于局部热平衡状态的假定下,采用扩散近似来得到辐射通量密度,计算中考虑了由于热导、辐射的发射和吸收等因素所引起的能量转移。用这一方法计算了250Torr压强下钠放电的特性,并用Bartels方法对该电弧进行了实验诊断,将计算得到的温度与实验测量进行了比较。 关键词：