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     

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     

超音速等离子体炬的数值模拟

介绍了描述大气压下超音速等离子体炬内等离子体特性的磁流体力学模型，在二维近似下，对会聚-扩展型喷口等离子体炬进行了数值模拟，获得了等离子体炬内等离子体速度、温度、压力以及马赫数的分布.结果表明超音速等离子体炬内的流场特性可以分为亚音速、跨音速和超音速三个明显的区域. 关键词： 等离子体炬 磁流体力学 数值模拟     

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.     

直流等离子体炬放电特性研究

对于磁约束直流等离子体炬,用氩－氢等离子体的放电体系,研究了等离子体炬几何结构、真空室气压、弧电流、外磁场与比变化等对等离子体炬放电特性的影响。得到了影响等离子体炬宏观和微观参数变化的一些基本规律。     

三电极等离子体合成射流激励器工作特性参数影响实验

采用放电测量和光学诊断技术对三电极等离子体合成射流激励器放电特性及流场特性进行了实验研究,分析了放电电容、激励器腔体体积和射流出口直径对三电极等离子体合成射流流场分布及速度特性的影响.实验结果表明:三电极等离子体合成射流激励器放电过程包含触发、放电增强、放电衰减和电弧熄灭4个阶段,表现出典型的欠阻尼放电特征;等离子体合成射流流场包含射流主流、"前驱激波"和复杂的反射波系.放电电容、腔体体积和射流出口直径均存在一阈值,当电容和出口直径小于阈值、腔体体积大于阈值时,"前驱激波"以当地声速（约345 m/s）恒速传播,否则"前驱激波"则以大于345 m/s的速度传播,且与射流速度呈现相同的变化趋势,即随着放电电容和出口直径的增加而增大,随着腔体体积的增加而减小.      

两电极等离子体合成射流激励器工作特性研究

采用放电测量和高速阴影技术对两电极等离子体合成射流激励器工作特性进行了系统实验研究.实验表明:激励器工作击穿电压和放电峰值电流随激励器所处环境压强的降低和放电频率的增大而减小,激励器腔体内的放电过程为火花电弧放电.典型的等离子体合成射流流场包含有一道前驱激波和一股呈蘑菇状的高速射流.在整个射流发展过程中,前驱激波以当地声速恒速传播,不随激励器条件的改变而变化,波的强度则随着激励器出口直径的减小、腔体体积的增大、环境压强的降低和放电频率的升高而减小.激励器腔体体积和放电频率的增加会降低腔内气体的加热效果,并减小射流速度.激励器出口直径和环境压强对射流速度的影响按规律变化且存在最佳值.本文实各验条件下激励器都产生了明显的前驱激波和高速射流,具有实现高速流场主动流动控制的应用潜能.     

等离子体合成射流对超声速混合层的混合增强

采用实验加仿真方法研究了等离子体合成射流对超声速混合层的影响.使用基于纳米粒子的平面激光散射技术(nanoparticle-based planar laser scattering,NPLS)、粒子图像测速技术(particle image velocimetry,PIV)以及纹影手段获取了单次脉冲对混合层的影响.采用二维数值仿真对布置在不同位置的高频激励器的混合效果以及激励器的性能进行了研究.通过对比有扰动和无扰动的NPLS、PIV以及纹影实验结果,发现等离子体合成射流对超声速混合层有明显的扰动,射流喷出时会产生较强的斜激波.对数值仿真结果的分析表明,等离子体合成射流可以有效地增强混合层的厚度.对比激励器布置在不同位置工况下的混合层厚度,可以看出在激励器隔板末端对混合层的扰动效果最好,混合层对在隔板末端的激励器扰动响应也是最快的.对等离子体合成射流激励器的性能分析表明,在隔板末端的激励器输出的能量最多.通过分析等离子体合成射流的作用过程,可以看出激励器在隔板上下表面布置的作用形式是通过作用来流进而影响混合层,在隔板尾端布置的等离子体合成射流激励器直接作用在混合层上,实现混合增强.     

激波/边界层干扰对等离子体合成射流的响应特性

利用高速纹影系统和数值模拟方法研究了激波/边界层干扰对逆流喷射的等离子体合成射流的响应特性,并揭示了流动控制机理.实验在来流马赫数Ma=3.1的风洞中进行,测试模型采用钝头体和压缩斜坡的组合模型,等离子体合成射流激励器安装在钝头体头部.纹影系统捕捉了放电频率为f=1 kHz和f=3 kHz的激励对附体激波形态和分离激波运动的控制效果.等离子体合成射流使压缩斜坡激波/边界层干扰区域的起始点向下游移动,分离泡尺寸减小,附体激波强度减弱,发生弯曲,再附点移向上游,与此同时分离激波向附体激波逼近.与f=3 kHz激励相比,f=1 kHz激励的射流流量更大,对激波/边界层干扰的影响范围更广、控制效果更好.通过数值模拟,揭示了射流与来流相互作用对下游流场的作用机理:射流与来流相互作用诱导出大尺度旋涡,大尺度旋涡耗散发展增强了近壁面流场的湍流度;压缩斜坡上游近壁面的流场性质发生变化,进而导致了压缩斜坡激波/边界层干扰区域流动的变化.     

等离子体气动激励控制激波的机理研究

针对等离子体气动激励控制激波的热效应机理和电离效应机理的争议,分别采用热阻塞模型和离子声波模型,理论推导出了不同机理前提下电弧等离子体对尖劈斜激波的影响规律.对于热效应机理,激波变化规律是激波起始点前移、形状不弯曲以及角度减小;对于电离效应机理,激波变化规律是激波起始点仍维持在尖劈前缘点处、形状分为两段发生弯曲以及起始段的角度增大.针对该对立的理论推导结果,进行了电弧等离子体控制尖劈斜激波的超声速风洞实验研究,实验观察到尖劈斜激波起始点前移4 mm,激波角度减小8.6%,激波形状未发生弯曲.以热效应机理为前提推导出的理论结果与该实验结果相符,从而验证了等离子体气动激励控制激波是热效应机理在起主要作用. 关键词： 等离子体气动激励 激波 热效应 电离效应     

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。     

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     

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.     

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     

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.     

超音速等离子体点火过程的三维数值模拟

为了研究等离子体点燃超音速混合气流的过程,设计并验证了超音速燃烧室的三维计算模型,计算出了燃烧室等离子体点火时的流场参数和化学反应规律,分析了等离子体点火对燃烧室内燃烧的影响。计算结果表明:高温等离子体射流的滞止作用通过增加混合气在燃烧室内的停留时间提高了点火效率; 等离子体点火时燃烧区域的压力扩散比较充分,内部为压力相对平衡的低速流动; 高温等离子体射流高速射向混合气流时产生的速度矢量偏移扩大了点火面积,从而使点火效率得到提高; 氢气、空气燃烧的燃烧产物主要是水,燃烧区域局部温度主要受局部放热反应的影响。     

Properties and applications of cold supersonic gas jet

By analyzing the formation mechanism of a supersonic gas jet, a set of equations which describe the atomic beam properties were established. The influence of initial temperature, initial pressure, background gas pressure and pumping speed was discussed in detail. A simulation program was developed based on the equations, and the results under different initial conditions were obtained. The results are in good agreement with the experimental data, and suggest that, in order to get much smaller transverse momentum in collision experiments, it is necessary to lower the initial temperature and the initial pressure of the supersonic gas jet, together with increasing the pumping speed. These results are very instructive for construction of a new generation of cold supersonic gas jets.     

层流等离子体射流温度与速度测量

本文分别应用光谱诊断、水冷皮托管及小尺寸杆状热流探针,对自由射入空气中的纯氩层流等离子体射流中心最高温度、滞止压力以及最大热流密度进行了测量,由测量结果导出了层流射流的中心最大速度,得到了射流气体温度和速度的轴向分布及其随工作电流和气流量变化的一些规律,探讨了气体的温度和速度对其向探针表面换热系数的影响。