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。     

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     

大气压直流滑动弧等离子体工作特性研究

对大气压直流滑动弧等离子体的电参数和发射光谱进行了测量,比较研究了不同气体种类下滑动弧等离子体电压的特性.以氮气滑动弧为例,分析了其在一个周期内电弧电压、电流、电阻和功率的变化特性.通过对电弧电压信号进行快速傅里叶变换频谱分析,研究了气体种类、气体流量和外部电阻值对滑动弧等离子体脉动特性的影响.结果表明随着气流量或外部电阻值的增加,其主要脉动频率变高,电弧周期变小.利用光谱法检测了氮气、氧气和空气滑动弧等离子体的主要自由基种类,并研究了外部电阻值对发射光谱强度的影响和沿电极中轴线在337.1 nm(N关键词： 滑动弧等离子体 非平衡等离子体 脉动特性 发射光谱     

小功率等离子体射流的流特性

采用焓探针对小功率(5kW)热喷涂等离子体射流的焓、温度和速度进行了测量和计算。研究了气体成分、流量、电弧电压和电流对等离子流体的焓、温度和速度分布的影响。结果表明,对于单一氩气等离子体,当使用新喷嘴时,增大氩气流量能够使喷嘴内部电弧弧根向出口方向移动,从而增加等离子体射流的焓、温度和速度。对于Ar-N2等离子体,增加气体中氮气的含量,会提高等离子电弧电压,在同样的输入功率下,改变等离子电流和电压对等离子体的焓、温度和速度影响较小。对于Ar-N2等离子体,增加氢气含量会明显地提高等离子射流的速度和热传递。     

存在空气卷吸时等离子体射流光谱诊断应做的修正

采用一套高精度多谱线的等离子光谱诊断系统来同时探测等离子体射流中两条谱线的强度。通过谱线绝对强度法 ,获得了直接流入空气的氩等离子体射流在考虑卷吸和不考虑卷吸时两种不同的温度分布和卷吸空气的浓度分布。两种情况下所获得的温度分布的对比 ,说明等离子射流中的空气卷吸现象对光谱诊断的结果有可观的影响。忽略所卷吸的空气会对绝对强度法的温度诊断带来误差 ,尤其在远离喷口的区域 ,这种误差是很明显的。     

棒-环电极大气压等离子体射流的光谱特性

通过设计新型的交流电压激励的氩气等离子体射流,在棒电极的上游与下游区域均产生了大气压非平衡态等离子体羽。该射流与平行场射流和交叉场射流不同,它的电场与气流方向的夹角可以在一定范围内变化。结果表明,随着外加电压或夹角的增加,上游羽的长度增加而下游羽的长度减小。利用光学和电学的方法,研究发现随着外加电压的增加,上下游放电脉冲的个数均增加。利用放电的光学发射谱,发现上游羽有Ar和OH的谱线,而下游羽除了Ar和OH的谱线外,还可以观察到N₂的谱线。并且下游羽的谱线强度比上游羽的略高。基于碰撞辐射模型,通过谱线强度比的方法研究了上下游羽的电子密度和电子激发温度。结果表明上下游羽的电子密度随着外加电压的增加而增加。上下游羽的电子激发温度也随着外加电压的增加而增加。并且,在同一外加电压时下游羽的电子密度和电子激发温度均比上游羽的高。此外,利用OH发射光谱研究了上下游羽的气体温度,发现下游羽的气体温度也比上游羽的略高。     

层流氩等离子体射流温度的测量

 采用给水冷管状静电探针施加负偏置电压、并使探针以一定速度垂直于射流轴线扫过层流氩等离子体射流的方法,测量探针所收集到的累积离子饱和电流随侧向位置的变化,利用Abel变换推导出了局部离子饱和电流密度沿射流径向的分布;采用自制的水冷动压探针,以动态扫描法测量了射流动压沿射流径向的分布;根据局部离子饱和电流密度和射流动压的测量数据,由理论关系式推导出了等离子体射流横截面上的温度分布,同时,采用谱线相对强度法测量了等离子体射流的激发温度。结果表明：两种方法得到的等离子体射流中心温度吻合较好,所得到的射流中心温度随弧电流加大而增大的变化趋势也一致。     

大气感耦射流等离子体加工中的电子温度及激发光谱研究

大气感耦射流等离子体加工作为新型超光滑表面加工技术,其高密度等离子体激发能力为充分激发反应气体,提高材料去除率提供了有力条件。利用发射光谱仪,对加工过程中大气感耦射流等离子体激发的400~1 000 nm范围内的光谱进行了测量。并利用峰值明显,能级差较大的谱线计算电子温度。由于测量的谱线强度是等离子体发射系数沿弧长方向的积分值,且感耦射流等离子体具有回转对称性,因此可利用阿贝尔变换求取光谱发射系数,进而通过玻尔兹曼图谱法计算电子温度。计算结果表明由于趋肤效应和旋流进气的双重作用,处于加工区域的温度分布呈现出双峰形;随着距离增大,双峰效应逐渐减弱,温度分布趋于平滑。研究也表明随着加工距离的增大,等离子体边缘逐渐偏离局部热力学平衡状态,玻尔兹曼图谱法计算电子温度的适用性降低,导致等离子体边缘的温度拟合优度值逐渐降低。进一步对通入反应气体CF₄后的等离子体光谱进行了研究,通入反应气体后的等离子体呈现鲜亮的蓝绿色,是由于激发反应气体后产生的位于400~650 nm范围的带状光谱所致,分析表明谱图中的带状光谱为双原子分子C₂谱带Swan Bands,而该双原子分子是感耦氩等离子体对碳源CF₄的充分激发产生。     

大气压等离子体射流中振转温度的发射光谱研究

通过发射光谱对大气压氦等离子体射流三个不同位置进行测量, 并采用光谱拟合获得氮气分子振转温度的方法, 研究了放电电压和气体流量以及离喷口的距离对射流的温度和化学活性的影响。发现大气压等离子体射流的气体温度和振动温度均随着放电电压增加而升高, 随着气体流量的增大而降低, 随着离喷口距离的增加而降低并逐步趋于稳定。通过对等离子体射流中振动温度的变化趋势并结合活性成分氧原子光谱强度的变化证实了等离子体射流的活性亦随着气体流量及离喷口距离的增大而降低, 随着放电电压增加而升高的结论。     

大直径射流的放电特性及其等离子体参数和活性粒子分布的光谱诊断

大气压等离子体射流因其产生的等离子体羽富含活性粒子而在废水净化、元素探测、材料处理等方面具有良好的应用前景。通常等离子体羽的直径较小,限制了其工作效率。针对于此,利用交流电压激励大气压氩气等离子体射流,产生了直径约为14 mm的大尺度均匀等离子体羽。采用发射光谱法对电子密度和氧原子浓度随不同实验参数的变化关系进行了研究。光电测量结果表明,当外加电压峰值或氩气流量增加时,等离子体羽发光亮度增加。当电压峰值较低时,等离子体羽的上下游在电压的每个周期均有两个光脉冲信号,且上游光信号强度比下游的大。随着电压峰值增大,上下游等离子体羽的光信号强度都增大。当电压峰值较高时,上下游等离子体羽的光信号在每个电压周期呈现三个放电脉冲。不论每个电压周期放电脉冲数目多少,上下游等离子体羽的发光信号均具有同步性。利用光谱仪采集了300～800 nm范围内上下游等离子体羽的发射光谱,发现它们中均含有OH和N₂的谱线及ArⅠ和OⅠ谱线。其中,上游等离子体羽的ArⅠ谱线强度比下游的大,但OH和N₂的谱线强度比下游的小。利用谱线强度比对上、下游等离子体羽的电子密度进行了研究。结果表明,上游等离子体羽的电子密度在1014 cm-3量级,高于下游羽的电子密度（1013～1014 cm-3量级）。并且,上游和下游等离子体羽的电子密度均随外加电压峰值的升高而增加,随氩气流量的增加而增加。利用光化线强度法,研究了下游羽中氧原子浓度随实验参数的变化规律。结果表明,氧原子浓度沿气流方向降低;对于一个等离子体羽,平均而言氧原子浓度随外加电压峰值升高而增加,随氩气流量增加而增加。对于以上实验现象,利用气体放电的基本理论进行了定性解释。     

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。     

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.     

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。     

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     

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。     

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.