等离子体射流产生与特性的实验研究

本文报道热等离子体射流产生及射流特性的实验研究结果。采用同一个直流等离子体发生器,工作气体流量小时产生出层流等离子体长射流,射流长度随气体流量或弧电流的增加而明显增加;工作气体流量大时则产生出湍流等离子体短射流,此时射流长度几乎与工作气体流量或弧电流无关;在层流与湍流等离子体射流工况之间,存在一个流动状况不稳定的过渡区,此时等离子体射流的平均长度随气流量的加大而减小,但随弧电流的加大而明显加大。层流等离子体长射流有相当好的刚性。     

一种新型大气压毛细管介质阻挡放电冷等离子体射流技术

介绍一种结构设计简单、操作运行方便的新型毫米量级大气压冷等离子体射流发生技术.这种射流可以在大气压条件下，利用多种工作气体(如Ar,He,N₂)，通过毛细管介质阻挡放电(DBD)的方式实现.使用频率为33kHz，峰值电压为1—12kV的双向脉冲电源，利用Ar,He,N₂等工作气体，在毛细管内形成了稳定的冷等离子体射流.放电区域的光辐射空间分布利用商用CCD摄像机记录，从中研究放电形态和空间分布，观察到了在DBD区域的流动气体放电和在毛细管出口处形成的等离子体射流 关键词： 冷等离子体射流 毛细管介质阻挡放电 射流射程 射流激发温度     

Characteristics of helium DC plasma jets at atmospheric pressure with multiple cathodes

A novel DC plasma torch with multiple cathodes is developed for generating laminar, transitional and turbulent plasma jets. The jet's characteristics, including jet appearance, voltage fluctuation, thermal efficiency, specific enthalpy, and distributions of temperature, pressure, and velocity, are experimentally investigated. The results show that as the gas flow rate increases, the plasma jet transforms first from the laminar state to the transitional state and second to the turbulent state. Compared with the transitional/turbulent jet, the laminar jet possesses not only a better stability and a longer hightemperature zone but also a higher average/core temperature and a higher specific enthalpy at the nozzle's outlet. With the change of jet states from the laminar to the turbulent flow, the core pressure and velocity at the nozzle's outlet increase,while the decaying rates of temperature/pressure/velocity along the jet's axial direction increase sharply. Furthermore, applications of laminar, transitional and turbulent jets for zirconia spray coating are described. The test results indicate that the long laminar jet is favorable for the deposition of a high-quality coating because the powder particles injected into the laminar jet may have better heating and lower kinetic energy.     

直流纯氩层流等离子体射流的长度变化

采用主要由阴极、阳极以及介于阴极和阳极之间的中间段组成的直流非转移式电弧等离子体发生器,在大气压条件下,比较系统地研究了纯氩层流等离子体射流的长度随着弧电流、气体流量以及发生器结构而变化的规律。结果表明:层流射流的长度随弧电流和工作气流量的增加而增长;层流向湍流流动转变的临界气流量值随弧电流增大而提高;在发生器的伏安特性呈大梯度变化的情况下,射流长度随弧电流的变化幅度增大。     

直流纯氮层流等离子体射流特性的实验研究

采用自行研制的直流非转移型等离子体发生器,对其产生的层流等离子体射流特性进行了实验研究。实验结果表明:该等离子体发生器在以纯氮气为工作气体时,呈现出高电压低电流的等离子体射流特性,该特性有助于提高等离子体发生器的电极寿命;在弧电流和工作气流量由小向大变化过程中,等离子体射流长度均呈现出先由短变长、再由长变短的变化规律;在等离子体射流长度由长变短的过程中,射流的形貌从相对集中、轴对称和稳定的状态向分散、非轴对称和不稳定的状态变化,即等离子体射流由层流形态向湍流形态转变,并且在此过程中射流产生的噪音逐渐增强。     

Production of a large area diffuse arc plasma with multiple cathode

An arc channel at atmospheric pressure tends to shrink generally. In this paper, a non-transferred DC arc plasma device with multiple cathode is introduced to produce a large area arc plasma at atmospheric pressure. This device is comprised of a 42-mm diameter tubular chamber, multiple cathode which is radially inserted into the chamber, and a tungsten anode with a nozzle in its center. In argon/helium atmosphere, a large area and circumferential homogenous diffuse arc plasma, which fills the entire cross section surrounded by the cathode tips, is observed. Results show that the uniformity and stability of diffuse arc plasma are strongly related to the plasma forming gas. Based on these experimental results, an explanation to the arc diffusion is suggested. Moreover, the electron excitation temperature and electron density measured in diffuse helium plasma are much lower than those of constricted arc column, which indicates the diffuse helium plasma probably deviates from the local thermodynamic equilibrium state. Unlike the common non-transferred arc plasma devices, this device can provide a condition for axial-fed feedstock particles. The plasma device is attempted to spheroidize alumina powders by using the central axis to send the powder. Results show that the powder produced is usually a typical hollow sphere.     

层/湍流等离子体射流波动特性实验研究

本文应用电压传感器、光电倍增管及水冷皮托管,对产生射入空气中的纯氩层流和湍流等离子体射流的弧电压波动、发生器出口处的射流光强波动以及沿射流轴线的滞止压力波动进行了测量。结果显示层流等离子体射流各参数的波动幅度远小于湍流射流的对应值;弧电压的波动幅度随气流量的变化明显,但随电流的变化很小;弧电压的波动幅度与其平均值之比随电流增加呈下降的趋势。     

纳秒脉冲放电等离子体射流特性

采用单针式电极,使用单极性重复频率脉冲电源,在常压氦气、氩气、氮气和空气中得到等离子体射流,并改变电压、流量和气体种类,分别观察不同的实验条件对等离子体射流的影响。实验结果表明:射流长度随施加电压的增加而增长;随着流量的连续变化,射流长度先逐渐变长,达到峰值后由于湍流影响,长度又逐渐缩短,达到一定流量后趋于饱和。此外,不同工作气体中的等离子体射流呈现截然不同的外观,氦气和氩气中射流呈针状模式,长度可达7 cm以上;而在氮气和空气中,射流呈现为长度不超过2 cm的刷状模式。     

层/湍流等离子体射流的稳定性与三维特性的实验观测研究

采用普通照相和短时间曝光成像的ICCD照相技术,观测了低于大气压条件下产生的纯氩和氩-氢直流电弧等离子体射流的高温区的瞬时形貌及其变化,结合电弧弧根在阳极表面贴附行为的观测结果,对射流的稳定性与三维特性和弧根行为之间的关联进行了分析.结果表明,层流等离子体射流的高温区长度明显长于湍流射流情形,并且具有很好的轴对称性和时间稳定性;湍流射流的高温区瞬时形貌则表现出明显的三维特征;等离子体射流的三维特性与弧根在阳极表面的贴附行为没有直接的联系.     

射流式O2(1Δ)发生器射流破断长度测量

 实验研究了甘油－水溶液通过用不同加工方法和不同喷管长度/直径比的喷管形成射流的破断长度。射流的行为与喷管内是层流还是湍流的流动状态关系极大。当射流速度比较大时,喷管的缺陷如进口出口的毛刺和流道壁的粗糙度是诱发湍流使射流破断的主要原因。这些结果对化学氧碘激光的射流式O₂(¹Δ)发生器的喷管设计和制造提供了有价值的参考。     

The effect of modulated electric field on characteristic of SDBD-like plasma jet for surface modification

In this paper, the dynamics and flow behaviour of an atmospheric argon plasma jet was studied in the new nozzle structure similar to the surface dielectric barrier discharge (SDBD) using the Schlieren imaging method. The effect of plasma jet driven by repetitive high-voltage microsecond pulses with low-frequency sinusoidal bias was measured qualitatively in a single mirror Schlieren optical system. The enhancement of plasma jet length and cross-section of plasma jet with surface in this condition is due to highly turbulent flow of argon plasma jet in this structure. This study revealed the important role of SDBD structure and modulated electric field on the behaviour of plasma jet in a high diameter nozzle. In practice, this technique allows us to increase the jet length of the nozzle output to 5 cm and under these conditions, the diameter of the plasma jet cross-section is increased to 8 mm, without increasing the electrical power consumption. Eventually, the hydrophilicity of the surface is also measured by the contact angle of a water droplet that decreases from 78° to 8° after surface treatment, implying we were able to reach a super-hydrophilic surface with this plasma jet structure.     

纵磁作用下真空电弧单阴极斑点等离子体射流三维混合模拟

真空电弧的特性直接受到从阴极斑点喷射出的等离子体射流的影响,对等离子体射流进行数值仿真有助于我们深入了解真空电弧的内部物理机制.然而,磁流体动力学和粒子云网格仿真方法受限于计算精度和计算效率的原因,无法有效地应用于真空电弧等离子体射流仿真模拟.本文开发了一套三维等离子体混合模拟算法,并在此基础上建立了真空电弧单阴极斑点射流仿真模型,模型中将离子作宏粒子考虑,而电子作无质量流体处理,仿真计算了自生电磁场与外施纵向磁场作用下等离子体的分布运动状态.仿真结果表明,单个阴极斑点情况下真空等离子体射流在离开阴极斑点后扩散至极板间,其整体几何形状为圆锥形,离子密度从阴极到阳极快速下降.外施纵向磁场会压缩等离子体,使得等离子体射流径向的扩散减少并且轴线上的离子密度升高.随着外施纵向磁场的增大,其对等离子体射流的压缩效应增强,表现为等离子体射流的扩散角度逐渐减小.此外,外施纵向磁场对等离子体射流的影响也受到电弧电流大小的影响,压缩效应随电弧电流的增加而逐渐减弱.     

大气压冷等离子体射流研究进展

有许多种方法可用于在大气中产生等离子体射流,冷等离子体（离子温度在室温附近）射流即是其中的一种.近年来,人们发现氦气或其它惰性气体通过毛细管介质阻挡放电形成的冷等离子体射流具有类似子弹的传输特性,在有机材料表面改性、等离子体医学等领域获得了广泛的应用.通过专门设计的一系列实验,我们逐渐揭示了其产生机理,并深入研究了传输特性.文章简要介绍近年来我们所做的有关大气压冷等离子体的实验过程以及获得的一些重要结论.在对这种等离子体深入了解的基础上,作者还开发了一种新装置,该装置的最大特点是既利用了氦气在辅助放电方面的特性,又不消耗这种昂贵的资源;并且它还特别适合于在臭氧层修复、等离子体医学等方面的应用.     

层流与湍流等离子体冲击射流特性比较

本文采用数值模拟方法,对层流与湍流氩等离子体射流在空气环境中冲击平板时的流动与传热特性进行了对比研究.结果表明,在平板和射流进口间的距离较大时,平板的存在只对其附近的射流参数分布有较大影响,层流等离子体冲击射流的温度与轴向速度的轴向梯度明显小于湍流等离子体冲击射流情形;由于在平板表面形成的径向壁面射流对引射的附加贡献,层流和湍流等离子体冲击射流对环境空气的引射量明显增加.     

保护气对切割弧特性影响的模拟研究

通过比较两种不同结构切割炬所产生的等离子体流场,发现保护气对等离子体的温度和速度分布影响很小.垂直保护气在切割炬喷口形成阻碍作用,造成切割炬内的压强有所升高,但是增加不大.两种结构保护气对切割弧的影响只是在炬喷口外的激波附近.加入保护气后激波的强度会减弱.相对于没有保护气的情况,保护气增加冷却作用,弧电压会略有升高.当改变保护气的成分时,发现弧柱区的氧气含量不受影响,所以保护气成分的改变不会影响到弧电压.计算发现轴线处氧气和周围气体的混合很少,在喷口下游10mm处,氧气的摩尔分数仍在90%以上. 关键词： 等离子体切割弧 保护气 数值模拟     

大气压氩气射流等离子体的光谱特性研究

等离子体喷枪是一种重要的等离子体源,已成为近几年低温等离子体研究的一个重要课题。本文利用钨针-钨丝网电极制作了直流喷枪装置,在大气压空气中产生了稳定的等离子体羽,并采用发射光谱的方法,对等离子体羽的等离子体参数进行了研究。在钨针电极与钨丝网电极之间放出耀眼的白光,钨丝网电极出口的气流下游有火苗形状的等离子体羽喷出。在电压保持不变的条件下(13.5 kV),等离子体羽长度随气体流量增加而增大;在气体流量保持不变的条件下(10 L·min-1),羽长度随外加电压的增大而增大。在气体流量一定的条件下,放电电压和放电电流呈反比例关系,即电压随着电流的增大而减小,说明放电属于辉光放电。采集了该喷枪在300～800 nm范围内的放电发射光谱,通过玻尔兹曼方法对放电等离子体电子激发温度进行了测量。结果表明,电子的激发温度随外加电压的增大而降低,随着工作气体流量的减小而升高。利用放电的基本理论对上述现象做了解释。这些研究结果对大气压均匀放电等离子体源的研制和工业应用具有重要意义。     

屏蔽气体对氩等离子体冲击射流的影响

在空气环境中利用氩等离子体射流进行材料加工时,环境空气卷吸进入射流可能会引起金属材料氧化。采用同轴屏蔽气体保护是减小该不利影响的一种可行方案。为此本文对空气环境中层流氩等离子体冲击射流特性受屏蔽气体影响问题进行了数值模拟研究,重点考察了屏蔽气体速度等对材料加工区氧含量的影响。     

大气压氦气多路低温等离子体射流

为了研究大气压低温等离子体多路射流阵列的放电特性,设计一个实现7路低温等离子体射流的放电装置,采用单电极放电结构,在开放的大气环境下通入氦气。采用高压窄脉冲重复频率电源激励驱动该放电装置,电源脉冲宽度约230 ns,脉冲上升沿约为120 ns。在重复频率为500 Hz的条件下,通过高速摄影初步发现放电电流脉宽约为110 ns,且无反向放电。试验结果表明:平均射流长度随电压幅值增加而增加,在一定电压幅值时射流长度有达到饱和的趋势,这是由于射流通道尾部有空气进入,电压幅值已不再是主要原因;只有在合适的气体流量值时,才能够获得较长的平均射流长度,这是由于气体流量过大或过小时射流均不足以维持形成的放电通道;此外,中心电极放电射流长度受气体流量影响较大,气体流量在一定值时可以观察到中心电极有较长的射流,射流放电强度较弱,气体流量过大或过小时中心电极几乎无放电,这是由于四周电极更易形成放电射流,削弱了中心电极放电。 ,     

Basic characteristics of an atmospheric pressure rf generated plasma jet

A plasma jet has been developed which operates using radio frequency (rf) power and produces a stable homogeneous discharge at atmospheric pressure. Its discharge characteristics, especially the dependence of stable discharge operating range on the feed gas, were studied, and the electric parameters such as RMS current, RMS voltage and reflected power were obtained with different gas flows. These studies indicate that there is an optimum range of operation of the plasma jet for a filling with a gas mixture of He and O_2. Two "failure" modes of the discharge are identified. One is a filamentary arc when the input power is raised above a critical level, another is that the discharge disappears gradually as the addition of O_2 approaches 3.2%. Possible explanations for the two failure modes have been given. The current and voltage waveform measurements show that there is a clear phase shift between normal and failure modes. In addition, I－V curves as a function of pure helium and for 1% addition of oxygen have been studied.     

大气压直流氩等离子体射流工作特性研究

介绍了一种新型大气压直流双阳极等离子喷枪,并对其电特性参数和发射光谱进行了测量.通过对氩等离子体射流的电信号进行时域和频域分析,研究了载气流量和弧电流的变化对射流脉动的影响,结果表明氩等离子体电弧的伏安特性呈上升趋势,射流脉动属于接管模式,电源特性中的交流分量引起的电压波动是影响氩等离子体射流脉动的主要因素. 通过光谱法测量了氩等离子体射流在弧室内和弧室出口的发射光谱,利用玻尔兹曼曲线斜率法计算了射流的激发温度,根据Ar I谱线的斯塔克展宽得到了射流的电子密度,并对等离子体射流满足局域热力学平衡(LTE) 关键词： 等离子喷枪 射流脉动 激发温度 局域热力学平衡