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。     

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。     

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。     

微秒脉冲大气压氦气等离子体射流阵列特性

为了深入研究等离子射流阵列的放电特性,利用上升沿1μs、脉宽2μs的微秒脉冲电源产生等离子体射流,通过电压电流波形的测量和发光图像的拍摄,研究了在针-环双电极结构下,不同电极位置以及不同重复脉冲频率下氦气等离子体射流阵列的放电特性。实验结果表明放电最初产生在阵列的两端,随着外加电压幅值的增加,中心管也会有射流产生,最终形成射流阵列。随地电极距管口距离的变远,放电电流和中心管的射流长度均呈现出先增大后减小的变化趋势(20mm处取得最大值),随着重复脉冲频率的增大,放电由不均匀的丝状放电向均匀放电转变,放电电流先减小而后保持不变。     

针环式电极大气压下氩气等离子体射流长度影响因素研究

为掌握反应器结构参数和放电参数对大气压非平衡等离子体射流(N-APPJ)的射流长度的定量影响,设计了多结构的针-环式电极氩气等离子体射流装置,分别研究了放电电压、电极间隙、高压电极放电末端与接地电极的距离及氩气体积流量对射流长度的影响,并采用发生光谱法对该反应器产生的等离子体电子激发温度进行了计算。结果表明：等离子体射流的最大长度可达80 mm;高压电极放电末端与接地电极之间的距离越大,射流长度越长但不是线性增长;射流长度随电极间隙的增加呈现先增大后减小的趋势且在电极间隙为4.5 mm时该射流达到最大长度;随着氩气体积流量的增加,等离子体射流长度也呈现出先增大后减小的趋势且减小的幅度较低;电子激发温度在高压电极和接地电极处较高,两电极之间部分次之,在石英管出口处会有比较明显的下降。     

微秒脉冲激励的大气压氦等离子体射流放电特性北大核心CSCD

研究了不同电极结构以及放电参数对微秒脉冲激励的氦等离子体射流放电特性的影响。实验中采用不同管内径、不同电极形状、不同重复频率等参数,通过采集放电阶段的电流电压图、发光图像以及发射光谱等,对等离子体射流的电学特性和光学特性进行诊断。实验结果表明,随着管内直径的增大,氦等离子体射流的长度减小;管内径为8mm时,等离子体射流的击穿电压与放电电流最小,同时,其发射光谱中第二正带系N2,N+2和O等高能活性粒子的强度最高;管内径为5mm的等离子体射流的放电电流、功率及消耗的能量最大;在相同实验条件下,针尖电极结构中的放电电流、消耗的功率还有发射光谱强度都较大;随着重复频率的增加,氦等离子体射流的长度会增加,但击穿电压减小。     

甲烷在空气燃烧的等离子体射流助燃效应的光谱研究

大气压氩等离子体射流是一种非平衡等离子体,能够产生大量的电子、离子、激发态粒子和活性基团,在燃烧过程中这些粒子的参与能够大大降低化学反应的活化能,而等离子体射流的动力学效应影响粒子输运过程,使得等离子体射流具有一定程度的辅助燃烧效果。本实验通过发射光谱测量,分别识别出了在非预混和预混的甲烷燃烧过程参与燃烧的中间物种（OH,CH和C₂）,测量了这些自由基的发射光谱强度随着外部控制变量（放电电压、混合当量比）变化的规律。对于非预混情况,实验发现随着产生等离子体射流放电电压的增大,火焰总体长度变短,火焰面出现褶皱,火焰根部蓝色区域面积不断扩大,在22 kV时,大约占总火焰面积的1/2。对火焰根部的发射光谱测量结果表明,当电压达到16 kV时,发射光谱明显增强,而当电压进一步增大到22 kV时,这些自由基粒子的光谱强度却出现下降,这归因于在等离子体产生的电离风作用下管内气体流速增大,导致燃烧区发生移动远离喷口,使采集到的火焰根部区域变小造成的。另外,研究了在不同的燃料当量比下等离子体射流对预混气体助燃的过程,实验发现燃料当量比为2时,OH(A-X)的光谱发射强度随电压的增大而增强而CH(A-X)和C₂(d)的发射强度在等离子体射流直接作用的情况下减小,反映了在氩等离子体射流参与助燃下燃烧变得更加充分了。实验发现等离子体射流产生大量的自由基以及等离子体电离风对混合过程的影响能够对燃烧过程产生明显影响。     

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。     

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.     

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.     

Production of long,laminar plasma jets at atmospheric pressure with multiple cathodes

Plasma jets from conventional non‐transferred arc plasma devices are usually operated in turbulent flows at atmospheric pressure. In this paper, a novel non‐transferred arc plasma device with multiple cathodes is introduced to produce long, laminar plasma jets at atmospheric pressure. A pure helium atmosphere is used to produce a laminar plasma jet with a maximum length of >60 cm. The influence of gas components, arc currents, anode nozzle diameter, and gas flow rate on the jet characteristics is experimentally studied. The results reveal that the length of the plasma jet increases with increasing helium content and arc current but decreases with increasing nozzle diameter. As the gas flow rate increases, the length of the plasma jet initially increases and then decreases. Accordingly, the plasma jet is transformed from a laminar state to a transitional state and finally to a turbulent state. Furthermore, the anode arc root behaviours corresponding to different plasma jet flows are studied. In conclusion, the multiple stationary arc roots that exist on the anode just inside the nozzle entrance are favourable for the generation of a laminar plasma jet in this device.     

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.     

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。     

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设计建立了同轴圆柱介质阻挡放电线状射流装置,并利用其实现了宽度为50mm的大尺度线状射流,并对射流长度随放电参数的变化进行了研究.研究发现,随气压、流量的增加,射流长度呈先增加后达到饱和;随激励电压的增加,射流长度增加.对氮气射流等离子体进行发射光谱诊断,表明氮气等离子体中主要是氮分子和少量氮原子,并利用光谱拟合得出射流的温度范围为290～350K.     

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.     

大气压氖气介质阻挡放电脉冲等离子射流特性

采用自行研制的低造价、小体积、可产生幅值0~35 kV、重复频率1 kHz的高压s脉冲电源,设计了一套以大气压氖气为工作气体的介质阻挡放电（DBD）等离子体射流源,通过测量并计算放电过程中的电压-电流波形、拍摄放电图像、光谱分析等手段,对电压幅值、气体流速对氖气等离子体射流特性的影响进行了研究。结果表明:s脉冲电源激励下大气压氖气DBD能产生锥状的等离子射流且其等离子强度适中;s脉冲电源电压幅值的快速上升,可在放电空间瞬间施加高的过电压,能有效促进放电功率、电子密度、电子激发温度和射流长度的增加;工作气体流速的增加使得放电功率、电子激发温度和电子密度减小,而射流长度变化很小;一定条件下,能形成长距离的射流。     

三种电极的大气压氩等离子体射流光学特性

采用铜片-单匝线圈电极、螺旋缠绕电极和双铜片电极3种结构的放电装置,以氩气作为工作气体,在正弦波激励下获得了大气压等离子体射流。利用电学方法测量了放电电流以及电荷量,并对放电脉冲和放电功率进行了研究;利用发射光谱法对射流的等离子体参量进行了空间分辨测量,并根据ArⅠ 763.5 nm和Ar Ⅰ 772.4 nm的光强计算了电子激发温度。结果发现：在外加电压的正负半周期内,电流脉冲的个数和幅值呈现非对称的变化趋势;随着外加电压的增加,3种结构电极的放电功率从1.7 W逐渐增加到6.0 W;在相同的外加电压情况下,电极面积越小,等离子体射流的长度越长;3种等离子体射流的电子激发温度在1 348.5~3 212.1 K之间,并且随着气体流量的增加,各位置的电子激发温度总体上呈下降趋势,而等离子体的电子密度呈上升趋势。实验结果表明：外加电压对放电功率有一定影响;射流长度与电极面积有关;气体流量对电子激发温度和电子密度的空间分布起重要作用。     

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。