直流电弧等离子体炬的特性研究

介绍了局部热力学平衡下描述直流电弧等离子体炬的磁流体力学模型，采用数值模拟方法研 究了等离子体炬内等离子体的传热和流动特性、湍流对等离子体炬内等离子体特性的影响， 以及等离子体炬运行参数对等离子体特性的影响.将数值模拟结果与已有的实验结果进行了 比较. 关键词： 等离子体炬 磁流体力学 数值模拟     

超音速等离子体炬的磁流体动力学数值研究

针对设计的喉径2mm、工作电流为100A的拉瓦尔喷嘴,在二维轴对称模型的基础上,对超音速等离子体炬中的流动及其外部射流进行了数值模拟。通过在阳极喷嘴内部采用基于磁矢量势的磁流体动力学模型,避免了对磁感应强度的复杂积分计算,得到了喷嘴内部多场耦合的结果及外部射流的流动状态,分析了喷嘴内部电磁场对等离子体的加速作用及射流发展过程。结果显示,等离子体经历了亚音速→跨音速→超音速的发展过程,最终获得2.3 Ma的超音速射流。研究结果为超音速等离子体炬的工业应用提供了理论基础。     

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为了提高等离子体废物处理效率,根据磁流体动力学理论,利用计算流体力学软件FLUENT,采用磁矢量势的方法对直流双阳极非转移型电弧等离子体炬进行了二维轴对称数值模拟。计算中采用了SIMPLE算法。数值模拟得到了等离子体的温度、速度等分布。结果表明,等离子体的温度随着轴向距离的增加而减小,随弧电流增加而增加;其速度随着轴向距离的增加而先增大后减小,随弧电流增加而增加;等离子体炬出口处的温度和速度随着径向距离的增加而减小。这些结果与实验结果基本相符。     

超声速等离子体射流的数值模拟

基于可压缩的全Naiver-Stokes方程，利用PHOENICS程序对由会聚 辐射阳极形状等离子体炬产生的超声速等离子体射流进行了数值模拟.考虑了等离子体的黏性、可压缩性以及变物性对等离子体射流特性影响.研究了超声速等离子体射流的流场结构特性以及不同环境压力对等离子体射流产生激波结构的影响.结果表明，超声速等离子体射流在喷口附近形成的周期性激波结构是其和环境气体相互作用的结果. 关键词： 等离子体炬 超声速等离子体射流 PHOENICS     

钨丝阵等离子体Z箍缩的数值模拟

采用二维三温磁流体力学模型，模拟了“强光一号”加速器上钨丝阵箍缩实验.给出了等离子体密度和温度时空分布的特点，分析了磁场以及电流密度的演化，计算出的x射线功率随时间变化与实测结果基本相符.计算结果为等离子体的诊断提供了有用的信息.此外，还讨论了Z箍缩辐射磁流体力学数值模拟中的相关参数和数值方法问题. 关键词： 钨丝阵 Z箍缩 数值模拟     

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将等离子体作为磁流体,考虑其流体属性和电磁属性,介绍了利用FLUENT软件包并将其进行二次开发,解算电磁场方程、质量连续性方程、动量守恒方程、以及能量守恒方程的数值模拟方法,得到了以磁矢势为表达形式的电磁场分布、温度分布和速度分布.数值模拟了粉末球化所用的感应耦合等离子体炬电磁场分布、温度分布、速度分布.分析了温度分布、速度分布产生的物理原因,为感应耦合等离子体炬球化粉末颗粒提供理论性指导.     

放射性废物玻璃固化专用等离子体炬的数值模拟与实验研究

采用了数值模拟与实验结合的方法研究了用于模拟放射性固体废物玻璃固化的非转移弧型等离子体炬的电、热特性。基于包括电弧室和开放空间在内的3D 模型得到了电弧等离子体和等离子体射流的温度场。根据计算结果,电弧室内的最高温度位于第一阳极内,达到1.77×10⁴ K;弧电压的计算值高于实测值,二者之间的差异随着电流强度的增大而逐渐减小。采用该等离子体炬熔融模拟废物的实验发现,所确定的等离子体炬到炉底的距离能够满足废物熔融的要求,与计算的结果相符合。上述结果表明,数值模拟的结果可以作为等离子体炉工程设计的依据,并可以用作进一步分析等离子体炉炉膛内工艺过程的输入条件。     

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采用了数值模拟与实验结合的方法研究了用于模拟放射性固体废物玻璃固化的非转移弧型等离子体炬的电、热特性。基于包括电弧室和开放空间在内的3D 模型得到了电弧等离子体和等离子体射流的温度场。根据计算结果,电弧室内的最高温度位于第一阳极内,达到41.77×10 K;弧电压的计算值高于实测值,二者之间的差异随着电流强度的增大而逐渐减小。采用该等离子体炬熔融模拟废物的实验发现,所确定的等离子体炬到炉底的距离能够满足废物熔融的要求,与计算的结果相符合。上述结果表明,数值模拟的结果可以作为等离子体炉工程设计的依据,并可以用作进一步分析等离子体炉炉膛内工艺过程的输入条件。     

亚大气压六相交流电弧放电等离子体射流特性数值模拟

以临近空间高超声速飞行器和航天器再入大气环境飞行过程中其表面产生的高密度非平衡态等离子体为研究对象,基于本研究组所建立的多相交流电弧放电等离子体实验平台(MPX-2015),开展了非平衡态氩等离子体射流特性的二维数值模拟研究.在亚音速条件下二维、非平衡数值模拟所得到的计算结果与实验测量结果符合良好.超音速条件下的数值模拟结果表明,随着真空腔压强的降低,等离子体射流流速明显增大,覆盖钝体头部的等离子体鞘套的厚度先减小,而后又增加,鞘套的空间均匀性以及等离子体向钝体表面的总传热量均显著降低,而钝体头部的局部电子数密度则增大.数值模拟结果为在MPX-2015上开展超音速条件下的实验研究提供了理论指导.     

双等离子体团相互作用的磁流体力学模拟

利用商用磁流体力学模拟程序USIM对双等离子体团相互作用过程进行了数值模拟,分别考察和比较了双对流等离子体团在外加磁场和无外加磁场情况下,相互作用的物理过程.发现在外加磁场情况下等离子体团相互作用会伴随着磁重联(反向磁场)、磁排斥(同向磁场)以及一些不稳定过程.针对激光产生等离子体团错位相互作用实验,进行了标度模拟,发现外加磁场起着重要作用,进一步表明激光等离子体的磁化特征.研究结果为下一步在神光Ⅱ激光装置进行强磁环境下等离子体实验提供理论指导.     

直流非转移弧热等离子体喷枪加热效率分析

利用计算机模拟技术，采用有限容积方法，针对自制的低能耗、高效率内送粉等离子喷涂设备，对喷枪内部影响喷涂热效率的因素进行了分析。研究结果表明通过适当提高进气流量、提高混合气体中的氮气或氢气含量和减少喷枪通道长度，均能提高等离子喷枪热效率。而电流的大小以及喷枪的通道直径对热效率无显著影响。     

Ar介质感应耦合等离子加热器能量转化与流动特性

对感应耦合等离子(inductively coupled plasma,ICP)加热器内能量转化过程与分布规律、 流动特性的研究和认识能够为高频等离子加热器的设计提供理论指导,同时能够为加热器向大功率、多介质、广适用方向的发展提供支撑.基于二维轴对称、层流流动和局部热力学平衡等假设条件,利用COMSOL对百千瓦级Ar介...     

Numerical modelling of a direct current non-transferred thermal plasma torch for optimal performance

A laminar steady-state 2D axisymmetric model of a direct current (DC) thermal plasma torch using a magneto-hydrodynamic approach has been developed. The model takes into account the entire torch system comprising the plasma gas injection, the inner region of the torch, and the jet exiting into the ambient environment. Numerical results are obtained for two different power inputs chosen from published experimental data. The temperature predictions at the torch exit are found in good agreement with experimental results. Velocity analysis of the plasma jet has been presented and the impact of electromagnetic force on jet velocity is analysed. The Lorentz force arising due to the coupling of fluid motion and electromagnetic forces shoots up the jet velocity to significantly high values near the cathode tip. Temperature and velocity profiles are in good agreement with the characteristics of a long laminar plasma jet. An operating value of heat transfer coefficient (h) has been suggested for optimal torch operation, thus ensuring a low anode erosion rate and acceptable thermal efficiency. The argon torch has the maximum temperature and longest jet length among the plasma gases considered.     

反向载气注入下等离子体反应器二维数值模拟

本文对有反向载气注入条件下等离子体反应器内的传热与流动特性进行了二维数值模拟.数值计算结果表明,由于反向载气的注入,在等离子体发生器喷嘴出口与载气喷口之间的空间区域会形成一个滞止层,而且该滞止层的位置随着反向注入的载气速度(流量)的增加向等离子体发生器出口移动,数值模拟结果与实验观察结果定性一致.     

Three—dimensional modelling of the flow and heat transfer in a laminar non—transferred arc plasma torch

By experimental observation we show that the plasma flow and heat transfer within a direct current (DC) nontransferred arc plasma torch always show appreciable three-dimensional (3D) peculiarity even when the geometrical construction of the torch and working gas admission and external electrical collection conditions are completely axisymmetrical.Previous two-dimensional (2D) modelling studies cannot predict the 3D peculiarity of the plasma torch.We have successfully performed 3D modelling,and in this paper we present the modelling results for the plasma flow and heat transfer characteristics in a laminar DC non-transferred are argon plasma torch.The predicted arc-root location on the surface of the torch anode and arc voltage compare favourably with the corresponding experimental results.     

微通道冷却器内流动和传热特性的数值模拟

为满足固体激光器用微通道冷却器的换热要求, 根据冷却器结构分别建立了二维和三维物理模型, 利用计算流体力学方法首先对比研究两者的流动特性, 然后考察雷诺数和玻片生热量对微通道流动和传热特性的影响。结果表明:对于类似大平板间的矩形微通道层流流动区域, 其流动及传热特性可直接采用二维简化模型进行模拟分析;对于重点关注的转捩区, 采用三维模型模拟分析更好;当雷诺数增大到转捩点, 流体的传热效果得到明显增强;随着雷诺数的增大, 玻片生热量对通道内最低压力需求的影响逐渐减小;不同玻片生热量对微通道流动影响不可忽略, 对努赛尔数和通道总压降基本无影响。     

Plasma generation for the plasma cutting process

This study is an attempt to estimate the overall properties, viz. the thermal power and force, of an intense plasma jet produced by a plasma cutting torch, and to relate the properties of the plasma to the diameter of the nozzle of the plasma torch and the flow rate of plasma-forming gas. For cutting metallic plates using a thermal plasma, a narrow plasma jet is produced by means of a transferred electric are between an electrode in a plasma torch and the material to be cut. The power density and pressure exerted by the plasma jet on the material at the region of cut needs to be high so that a straight cut, without dress at the bottom of the plate, can be obtained. A simple theory to describe the behavior of the arc in a plasma cutting torch has been developed to predict the are radius, pressure, and arc voltage at the nozzle exit as a function of are current for a range of nozzle sizes and air flow rates. The results obtained are in good agreement with the measured values for an air plasma cutting torch nominally rated for 100-A operation. The relationships between the mass flow rate of plasma gas, plasma power, and arc force have been discussed in the light of design of plasma torches for plasma cutting     

氩等离子体射流在空气环境中冲击平板层流流动与传热的数值模拟

本文采用组合扩散系数方法处理不同气体组分之间的扩散，对氩等离子体的流射入空气环境并撞击平板时的层流流动和传热进行了数值模拟．这种新的处理混合气体中质量扩散的方法有助于更准确地描述等离子体条件下的组分扩散与能量输运。文中给出了射流中速度、温度及氩质量分数的分布情况，以及基板处热流密度分布的若干典型的数值模拟结果．