磁驱动滑移弧的放电特性研究

讨论了被外磁场驱动的滑移弧。磁驱动滑移弧的放电频率随磁感应强度增大而增大,测得的放电频率约在46～517Hz之间;当外加磁感应强度为0.4829T时,用光电倍增管测得滑移弧运动的平均速度为26.4m·s-1;从磁驱动滑移弧的放电电压曲线可以看出,电弧运行在电极平行段时,电压增加缓慢,当电弧运动到电极顶部时,电压上升较快,从1778V迅速增加到约4000V。     

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。     

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     

射流等离子发生器实验与模拟

针对自主设计的等离子体发生器,通过实验分析了常压下等离子热射流形态的发展状况,并对常压下的空气放电特性进行了数值模拟,以等离子发生器为原型,将等离子电弧的电场、磁场、温度场以及速度场进行了直接耦合计算,得到了等离子体电弧的速度场和温度场的分布情况. 针对不同间隙对放电结果的影响进行了分析,结果表明,放电间隙由1.5 mm增大到3.5 mm时,热射流速度由41.5 m/s增大到62.4 m/s,温度由3 650 K降低到1 960 K. 当间隙过窄时,温度过高将会烧蚀电极,影响电极使用寿命.      

电弧放电等离子体诱导激波的计算

基于电弧放电物理过程,分析气动激励机理,建立用于电弧放电等离子体诱导激波数值模拟的爆炸丝传热模型.主要结论有:电弧放电等离子体气动激励的主要机理是热等离子体的热阻塞效应,热电弧放电对于超声速来流而言就像-个具有-定斜坡角度的虚拟突起;理论分析只适用于纵坐标较小的阶段;当传热的功率设为放电功率的10%时,本文所建立的模型能够用于电弧放电等离子体诱导激波的仿真研究;等离子体虚拟斜坡角度及其诱导激波角都随来流总压和速度的增大而减小,随着放电功率的增大而增大,在总压、速度和放电功率较小的阶段这种变化较明显,在总压、速度和放电功率较大的阶段这种变化较缓慢.     

高频加热磁镜装置等离子体离子能量分布的测量

利用圆柱形低能离子静电分析器,对穿过高频加热磁镜装置逸出锥的逃逸离子和电荷交换生成的中性粒子的能量进行了测量,得到了等离子体离子的能量分布、离子回旋共振条件、以及发生离子回族共振时等离子体离子平均温度与加热净功率之间的线性关系。当加热净功率为100kW时,等离子体离子平均温度约为45eV。每1kW加热净功率大约提高离子温度0.4eV。     

燃烧反应性电弧理论及实验研究

以燃料和空气混合物为工质的燃烧反应性电弧等离子体在燃烧技术和等离子体技术中都有广泛的应用前景.本文通过实验研究了流量、混气比和电流对这一类固定弧长纵吹弧电压的影响.实验表明:其弧电压约比纯空气高1/3;弧电压随混气成份变化近于s形规律;一定条件下可形成电极的石墨保护层,使阴极长寿.理论分析中给出了二维轴对称反应性电弧的磁流体力学基本方程及分区简化模型的解.由混合气电弧的计算及对反应效果的定性分析可以认为,燃烧产物分解吸热是造成高焓值的原因,而混合气输运性质及反应因素二者的综合作用,可能是形成s形曲线的基本原因.     

磁旋转弧等离子体中的弧电压突变现象

利用光学成像系统观察到了磁旋转弧等离子体实验中的电弧电压突变现象,电弧电压突变的范围约在40～100V之间。实验结果表明,电弧电压的变化与电弧弧长的变化密切相关。     

平行轨道加速器等离子体动力学特性研究

等离子体电磁加速器可产生高速度、高密度等离子体射流而广泛应用于核物理、天体物理等领域.本文通过光电二极管、磁探头研究了不同放电电流和初始气压条件下等离子体在平行轨道加速器内的轴向运动特性.通过电流截断的方法,采用冲击摆测量了首次等离子体射流的动量.平行轨道加速器驱动电源由14级脉冲形成网络组成,每级电容为1.5μF,每级电感约为300 nH,得到振荡衰减型方波的电流波形.实验发现,电流过零时,轨道起始处一般会发生二次击穿,并形成二次轴向运动的等离子体.放电电流为10—55 kA、初始气压为200—1000 Pa时,等离子体的轴向速度为8—25 km/s.实验获得的等离子体的运动速度为雪犁模型理论结果的60%—80%,这主要是理论模型忽略了电极表面对电弧的黏滞阻力以及电极烧蚀引起的质量增加.等离子体动量与电流的平方随时间的积分成正比.放电电流为21-51.6 kA时,首次等离子体射流的动量为1.49—9.88 g·m/s.等离子体运动过程中除了受到洛伦兹力外,还会受到电极表面的黏滞阻力,造成等离子体动量约为理论结果的75%.     

电弧射流激励器工作特性仿真研究

为了在高超声速飞行器减阻中达到更好的减阻效果,设计了一种电弧射流等离子体激励器。采用有限元法求解非线性多物理方程,对此电弧射流等离子体激励器的工作特性进行了数值模拟,得到了激励器内部的电势、压力、温度和速度分布,综合分析了进气口气体速度、放电电流、激励器管道半径对电势、压力、温度和速度分布的影响。获得了全面的影响规律,通过仿真结果还得到:电弧射流等离子体激励器可产生最高温度为8638 K、最高速度为655 m/s的等离子体射流。当电流20 A,进气速度0.5 m/s,管道半径2.5 mm时,所需功率最小;当电流20 A,入口气体流速5 m/s,管道半径2.5 mm时,出口处平均温度最高;当电流20 A,进口气体速度10 m/s,管道半径2.5 mm时,出口处平均速度最大。并对仿真得到的放电电压进行了实验验证,在等离子体参数相似的情况下,实验结果与仿真结果吻合较好。     

气液两相滑动弧放电中自由基的光谱研究

气液两相滑动弧放电是近年来出现的一种新型低温等离子体废水处理技术,对高浓度有机废水具有很好的降解效果。为了认识气液两相滑动弧放电降解有机废水的机理,用发射光谱法对气液两相滑动弧在空气中放电所产生的主要自由基进行了实验研究,分析了自由基持续再生的化学过程。通过对光谱线强度变化的分析,得到了OH和NO自由基谱线强度在放电反应空间的分布特点,以及输入电压和液相(水)流量因素对OH和NO自由基产生过程的影响。结果表明：OH是气液两相滑动弧放电的主导自由基;OH和NO自由基谱线强度沿着电极中轴均先增后减;在非平衡区域,自由基谱线强度随着输入电压的增大而增大;OH自由基谱线强度随水流量的增大而增大,NO自由基谱线强度则随着水流量的增大而减小。     

Investigation of thermal plasma generator of technological function

Experimental results on energy characteristics of electric-arc plasma generator for heating technical nitrogen with the power of up to 500 kW are presented. The features of arc discharge glow, thermal efficiency, and service life of the electrodes were determined under the regime of melting the metallurgical raw material in the test plasma electric furnace.     

Electric arc plasmatorch for steam heating

A construction arrangement of electric arc plasmatorch with copper tubular electrodes for steam plasma generation was developed and tested. Experimental data on energy curves of this plasmatorch with nominal power of 100 kW are presented.     

气液滑动弧等离子体降解高浓度有机废水的研究

采用气液滑动弧放电非平衡等离子体进行降解高浓度苯酚模拟废水(初始浓度为872 mg／L)的研究。实验研究表明:由于液滴的存在改变了电极间的介电常数和局部电场,气液滑动弧放电的电压波形比纯气流滑动弧放电更加不规则,起弧电压更低;采用氧气作为载气能提高苯酚的降解效果,最后TOC值为44 mg／L;增大气液混合比,相应的加强了废水的雾化效果,增大水气接触表面积,进而提高了苯酚的降解效果;在尾气中检测到CO2的存在,最高浓度达到35357 mg/m3。     

Formation of reactive species in gliding arc discharges with liquid water

The effects of gas composition on gliding arc (glidarc) electrical discharge reactors with pure water have been studied. The glidarc reactors utilized AC electrical discharges with two different electrode configurations. In one case a set of two stainless steel electrodes connected to a single power supply was placed in the gas phase over the liquid surface (power=250–300 W, maximum voltage=12 kV). The second experimental arrangement utilized a reactor with a set of three stainless steel electrodes supplied by two identical high-voltage transformers, where the electrodes were placed over the water surface or with the water sprayed directly in the plasma formed between the electrodes (power=500–600 W, maximum voltage=12 kV). The variation of pH and conductivity and the formation of hydrogen peroxide, ozone, nitrate, and hydrogen were measured. The effects of the type of gas, including pure oxygen, pure nitrogen, and dry air, were determined.     

Dynamic behaviour of alternating current arc discharge in a multi‐arc generator at atmospheric pressure

In this letter, a multi‐arc generator with three high‐voltage electrodes and a common grounded one was developed for the purpose of obtaining large area and steady arc plasma at atmospheric pressure. Three typical discharge states were found in the multi‐arc generator: independent movement of three arc columns, confluence of two arc columns, and confluence of three arc columns. The three discharge states cyclically occur on the evolution of the arc discharge and their duration is influenced by the power dissipation and plasma working gas flow rate. With an increase of discharge power and a decrease of the gas flow rate, the duration of multiple arc confluence increases, which contributes to the suppression of the fluctuation amplitude of each arc. Frequency domain analysis of the arc voltage envelope shows that the frequency of arc fluctuation increases in the multi‐arc mode in the multi‐arc generator compared to that in the single arc mode.     

Behavior of Sustained High-Current Arcs on Molten Alloy Electrodes during Vacuum Consumable Arc Remelting

Vacuum consumable arc remelting is a casting process carried out in a vacuum with the aim of remelting the consumable electrode in such a way that the new ingot has improved chemical and physical homogeneity. The power which causes the melting is supplied by a vacuum arc burning between the electrodes. In order to determine the furnace partitions of electrical power and current, experiments were conducted on molten-faced round electrodes. The quasi-steady melt rate was determined for both horizontally opposed 15-cm-diameter Ni electrodes and for vertically suspended 40-cm-diameter Inconel 718 electrodes. The cathode thermal power is directly proportional to the melt rate which, for the horizontally opposed electrode experiment, agrees to within 10 percent with the Ni breaker switch calorimetry measurements and with predictions from retarded potential analyzer plasma data. However, for the vertically suspended electrode experiments, the measured thermal power at the cathode is 50 percent higher than for nickel. When CO is introduced into the vertical alloy electrode system and electrode gap is increased, the cathode thermal power is reduced by approximately 50 percent. Furthermore, the electrode position measurements and observation of the ingot surface suggest that a concentrated arc is formed under these conditions.     

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采用横向磁场驱动的滑移弧等离子体发生器产生非平衡、大气压下的等离子体。用氮分子谱和OH基谱来估算滑移弧等离子体射流中的重粒子温度。从实验数据的比较来看,从氮分子谱获得的重粒子温度相对较低,而从OH基谱获得的重粒子温度与磁稳滑移弧放电的重粒子温度比较接近,大约在2400~ 2700 K的范围内。