低中功率氢电弧加热发动机内传热与流动比较

本文采用数值模拟方法对低、中功率氢电弧加热发动机内的传热与流动特性进行了比较研究。结果表明:低、中功率氢电弧加热发动机内的传热与流动规律基本相似;发动机内最高温度出现在阴极尖下游附近;发动机轴线上的轴向速度在约束段出口附近达到最大值。随着发动机功率的增加,发动机内的最高温度和轴线上的最大速度也随之增加。本文还将数值模拟获得的电弧加热发动机性能参数和文献中报道的实验测量值进行了比较,二者符合良好。     

千瓦级氩电弧加热发动机的二维数值模拟

本文对千瓦级氩电弧加热发动机内的传热与流动进行了数值模拟研究,获得了典型工况下发动机内温度、速度和马赫数以及发动机喷管温度等参数分布。模拟结果表明,工作气体主要是在阴极下游附近以及约束通道内被加热电离,气体在发动机喷管的上游为亚音速流动,经过约束通道后转变为超音速流动。在进气总压一定时,随着弧电流的增加,发动机出口温度和速度均随之增加,但工作气体流量略有下降。     

氮氢电弧加热发动机气体流动特性分析

采用数值模拟的方法对低功率氮氢电弧加热发动机内的气体流动状况进行了分析研究,根据发动机内气体流动特性,确定了电弧加热发动机内的热边界层和流动边界层的定义方法,考察了主流区和边界内的能量转化过程。研究表明,在发动机约束通道内,电弧的热能主要在主流区转化为气体的热能,提升气体的焓值,而在发动机喷管扩张段的电弧贴附区域,电弧加热起到提升边界层内气体焓值和动能的作用.进一步的分析表明,缩小约束通道直径以及增加工作电流都有助于增加主流区气体对推力的贡献,从而提高发动机的性能。     

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。     

等离子体电弧炉内流动与传热数值模拟

本文采用磁流体动力学(MHD)模型对直流等离子体自由燃烧电弧和电弧炉内部的流动与传热进行了数值模拟研究。通过对基于磁矢量势描述的电磁场方程组和流体力学方程组的耦合迭代计算,求解得到了流体的温度场和速度场等,计算结果清晰地反映出等离子体电弧的高温阴极射流现象,并与同行的实验和数值结果进行了对比。本模拟方法和结果对于电弧炉的工业应用和优化设计有重要的指导意义。     

不凝性气体对纳米通道内水分子流动传热影响的分子动力学模拟

随着电子元件高性能化和小型化的发展,纳米通道内工质的流动传热问题受到了更多的关注.本文采用分子动力学模拟方法,模拟了300,325,350 K的纳米通道中流体的流动传热情况,工质为水,水中不凝性气体用氩气代替.结果表明:流动过程中,氩原子形成高势能团簇,随着温度升高,流体势能上升,团簇逐渐减小或消失;少量气体原子能够促进流动,而较多氩气会导致通道中心区域形成较大气体团簇而阻碍流动,同时,被加热的工质能显著减小流动阻力系数;近壁面区域流体温度高于中心区域,团簇内部原子活动更加剧烈,平均分子动能更大,温度更高;水的氢键结构可以促进纳米通道内的传热,氩原子会影响氢键数量,高温会破坏水分子形成的氢键网络,使努塞尔数下降.本研究分析了不凝性气体影响下微通道内水分子流动传热的机理,为电子设备的强化传热提供了理论指导.     

电弧增材成形中熔积层表面形貌对电弧形态影响的仿真

电弧增材成形常采用单道多层或多道搭接的熔积方式,不同的熔积方式下对应的熔积层表面形貌不同,从而影响电弧的形态及其传热传质过程.本文建立了纯氩保护电弧增材成形的电弧磁流体动力学三维数值模型,以及不同表面形貌的熔积层模型,并在保持阳极与阴极之间距离和熔积电流不变的条件下,通过模拟计算获得增材成形特有的单道和多道搭接熔积条件下的不同表面形貌对应的电弧形态以及相应的温度场、流场、电流密度、电磁力、电弧压力分布.数值模拟结果表明:平面基板上起弧情况下电弧中心具有较高的温度、速度、电流密度以及压强;单道多层熔积情况下熔积层数对电弧的各个参量影响较小;多道搭接熔积情况下电弧呈非对称分布,电弧中心温度较前两者低,电流密度、电磁力和电弧压强的分布偏向熔积层一侧.     

基于光谱诊断的氩-氮P-TIG焊引弧的动态电弧物理特性研究

焊接电弧等离子体的物理特性直接决定了焊接接头的成形形貌,分析双组分保护气体的脉冲钨极惰性气体保护焊（P-TIG）动态电弧物理特性,为深入开展混合气体保护焊的焊缝成形物理过程研究提供理论基础。氩-氮混合气体保护焊电弧具有高热特性可以增加熔深,但在焊接前混合均匀的保护气体,引弧后气体浓度会重新分布,使电弧等离子体物理特性的实时动态变化特点变得复杂。光谱诊断是电弧等离子体物理特性测量的最重要手段,但对双组分气体保护的P-TIG焊电弧特性的研究仍需深入进行,特别是对于易引起缺陷的起弧过程,其动态物理特性亟需深入分析。针对氩-氮混合气体P-TIG焊的引弧过程,以P-TIG焊产生的氩-氮双组分电弧等离子体为研究对象,提出利用窄带滤光片与CCD相结合的高速摄影实验系统采集双组分电弧等离子的动态光谱信息,获取特征谱Ar Ⅰ 794.8 nm和N Ⅰ 904.6 nm的P-TIG焊电弧光谱强度动态分布;提出利用双元素双组分标准温度法计算P-TIG焊引弧过程中距离钨极下方1,2,3和4 mm位置处电弧等离子体的动态温度及浓度,定量分析80%Ar+20%N₂保护的P-TIG焊从引弧至电弧稳定过程的电弧等离子体物理特性实时分布。实验结果表明,80%Ar+20%N₂保护的P-TIG焊电弧强度、电弧温度及浓度的变化均与脉冲电流的变化同步,焊接电流在3 ms内达到稳定状态,而电弧等离子体的强度、温度及浓度需要更长时间达到平衡状态。从起弧到电弧等离子稳定燃烧的过程中,基值期间和峰值期间的电弧等离子体强度均呈现先升高再降低的趋势;由于阴极的热传导及电流密度的变化,使得电弧等离子体轴向位置的峰值温度及基值温度均出现迅速升高再缓慢降低的现象;由于粒子间碰撞及摩擦力的影响,使得电弧等离子体的峰值及基值期间氩的浓度均呈迅速减小再缓慢增加的趋势,且氩的浓度均低于焊前浓度。     

强流脉冲电弧作用下石墨电极蒸发特性

气体开关电弧的热侵蚀作用是电极损耗的主要成因。石墨电极在电弧作用下发生蒸发并在多次放电后有明显的质量损耗,改变了开关内的气体环境和电极间距,导致开关动作可靠性降低。为研究石墨电极在脉冲电弧冲击下的侵蚀特征,基于开关电弧瞬态扩散特征和石墨材料参数,在弧根区域建立了电弧-电极能量耦合模型,得到了等离子体-固体区域的传热特性。考虑石墨电极的相变特征,计算瞬态热作用下石墨电极的加热范围以及临界相变点,研究瞬态电弧热冲击作用下的石墨电极相变机制。研究结果表明,电弧-电极界面热流主要集中在电弧接触面中心,电弧沉积的能量密度最高可达109 W/m2,石墨在电流上升初期基本处于加热状态,在能量积聚作用下,石墨转变为升华状态,传热强度随半径急剧衰减,蒸发区域略小于电弧半径。通过实验记录了5种开关工况下石墨电极烧蚀形貌和质量损失情况,结果表明,电极质量损失与电弧沉积在电极表面的能量线性相关,近似为0.015 mg/J。研究了电弧关键参数对电极质量损失速率的影响,为延缓电极损耗提供数据支撑。     

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。     

外磁场作用下的磁等离子体动力学过程仿真

磁等离子体动力学推力器是空间高功率电推进装置的典型代表,磁等离子体动力学过程是其核心工作机制.为深入理解外磁场对其工作特性的影响,本文采用粒子云(particle in cell,PIC)方法结合基于自相似准则的缩比模型,进行外加磁场作用下磁等离子体动力学推力器工作过程的建模仿真,通过与实验结果对比验证模型和方法的可靠性,并重点分析推力器点火启动过程的等离子特性参数分布,以及外磁场和阴极电流对推力器工作性能的影响.研究结果表明:阴阳极放电电弧构建是推力器启动和高效工作的关键步骤;外磁场强度较低工况不利于构建稳定放电电弧,等离子体束流集中于轴线附近,推力主要产生机制是自身场加速;外磁场强度较高时,阴阳极放电电弧稳定,推力产生主要机制是涡旋加速,推力、比冲随外磁场强度线性增大;推力器效率随阴极电流和外磁场强度增大而增大;放电电压随阴极电流增大而增大,但随外磁场强度的增大表现出先减小后增大的趋势.     

外磁场作用下的磁等离子体动力学过程仿真

磁等离子体动力学推力器是空间高功率电推进装置的典型代表,磁等离子体动力学过程是其核心工作机制.为深入理解外磁场对其工作特性的影响,本文采用粒子云(particle in cell,PIC)方法结合基于自相似准则的缩比模型,进行外加磁场作用下磁等离子体动力学推力器工作过程的建模仿真,通过与实验结果对比验证模型和方法的可靠性,并重点分析推力器点火启动过程的等离子特性参数分布,以及外磁场和阴极电流对推力器工作性能的影响.研究结果表明:阴阳极放电电弧构建是推力器启动和高效工作的关键步骤;外磁场强度较低工况不利于构建稳定放电电弧,等离子体束流集中于轴线附近,推力主要产生机制是自身场加速;外磁场强度较高时,阴阳极放电电弧稳定,推力产生主要机制是涡旋加速,推力、比冲随外磁场强度线性增大;推力器效率随阴极电流和外磁场强度增大而增大;放电电压随阴极电流增大而增大,但随外磁场强度的增大表现出先减小后增大的趋势.     

外磁场对直流等离子体炬放电特性的影响

介绍了新研制的磁约束直流等离子矩设备,计算了螺旋管线圈的磁场分布,通过实验研究了磁场变化对等离子体矩放电特性和伏安特性的影响。     

微放电等离子体多负辉区结构融合过程数值模拟研究

高气压下的微型电热推进器(MPT)中的放电等离子体存在多负辉区结构,其负辉区有融合趋势。对矩形微放电等离子体推进器(RMPT)的负辉区融合过程进行了二维模拟分析,在方法上采用了非平衡态的自洽流体模型,并考虑了离子电流加热和三体碰撞过程。结果显示:矩形微放电等离子体推进器(RMPT)在低电流条件下存在两个稳定的负辉区,当超过某一电流阈值条件后,两个负辉区会在腔体中心重合。分析了这一过程的成因,认为其融合过程本质上是空心阴极的导通过程,其融合与否与鞘层电压有关。     

离子推力器空心阴极热特性模拟分析

对离子推力器空心阴极进行了热分析。利用ANSYS有限元软件对阴极罩开启/闭合状态下的空心阴极热启动过程和达到稳态工作时温度场分布进行了模拟,结果表明稳态工作时空心阴极内部能量主要损耗在热阻丝和阴极顶部分,并且阴极罩及热屏是降低空心阴极温度损耗提高其热效率的关键部件,采用阴极罩及热屏后使得空心阴极的总体温度值提升了2.3%~13.2%,其中发射体温度提升2.3%~4.2%,热实验得出的实验数据与模拟结果基本一致,研究结果对空心阴极的优化设计提供参考。     

Plasma localization in an extended hollow cathode of the plasma source of a ribbon electron beam

The plasma density distributions in the slit aperture of the extended rectangular hollow cathode of the source of a ribbon electron beam are investigated experimentally. It is found that a local maximum whose parameters are determined by the discharge current appears in the density distribution when the slot width is less than a certain threshold value. This maximum results in an inhomogeneous current density distribution in the beam. It is shown that the appearance of the local maximum in the plasma density is related to the overlapping of the ion sheaths in the slit aperture of the hollow cathode.     

Space-charge-limited current of vacuum arc thruster

To optimize thrust performance, the expression of space-charge-limited current for vacuum arc thruster is derived from Poisson's equation. The commonly used ring-type and coaxial-type vacuum arc thrusters are simplified to the equivalent current sheet in planar geometry and cylindrical capacitor, respectively, for this calculation. Both the spatial distribution and peak magnitude of space-charge-limited current are given explicitly, together with their dependences on gap distance, applied voltage, charge number, and ion mass. For typical experimental parameters of the vacuum arc thruster, it is shown that the maximum current density drops significantly when the gap distance becomes large and grows when the applied voltage increases; moreover, a cathode material of lower atomic weight yields a higher current density. The expressions of total current for these two types of vacuum arc thruster are also presented. This work, to our best knowledge, is the first application of space-charge-limited current to the vacuum arc thruster and practically very interesting for engineering design.     

Two forms of attachment of an atmospheric-pressure direct-current arc in argon to a thermionic cathode

Comparative investigation of two forms of attachment of a dc (20 < I < 200 A) atmospheric-pressure arc in argon to a thermionic cathode made of pure tungsten is carried out. The current-voltage characteristics of the arc, axial distribution of the cathode rod surface temperature (except for the site of arc attachment), and plasma temperature axial distribution in the cathode region are measured, and the current density on the cathode surface is estimated. The measurements of current-voltage curves shows that the voltages of the arc with different forms of cathode attachment differ distinctly (but not too much) one from another, the curves for two modes iontersect. This confirms the results of theoretical analysis carried out earlier by M.S. Benilov who has showed that an existence of different forms of attachment is associated with the presence of branching points in a solution to the cathode heat balance problem. The point of intersection should be viewed as one such point. Optical measurements disclose that the temperature and its distribution over the cathode rod surface differ greatly for the two forms of attachment considered. The plasma temperature in the cathode region of the contracted attachment far exceeds that in the diffuse attachment, exceeding 3 eV in the immediate vicinity of the cathode surface. The maximal temperature of the plasma in the contracted attachment does not depend on the current. Analysis of erosion prints shows that the current density on the cathode does not depend on the current for both forms of cathodic attachment. For the contracted attachment, the current density is roughly four times higher (～10⁴ A/cm²) than for the diffuse form. The experimental data are in good agreement with present-day calculations of the cathode plasma parameters and temperature conditions.     

Nonself-sustained arc discharge in anode material vapors

The basic characteristics of the nonself-sustained arc discharge in a vapor of the anode material are studied. The influence of thermoemission parameters of the cathode on volt-ampere characteristics of the discharge is described. It is established that in a free mode of the discharge cathode operation, when the discharge current I_D is lower than the current of the thermoelectron emission from the discharge cathode I_C, the deposition rate of the films q is directly proportional to the discharge current I_D. In the compelled mode of the cathode operation, when I_D>I _C, q~W_D², where W_D=I_D U_D with U_D being the discharge voltage. It is shown that the magnetic field increases the plasma density and changes the density profile from n(x)-1/x² to n(x)-1/x with x being a distance along the flow. The motion of created plasma flow is shown to have a noncollisional character with constant electron temperature of 5-7 eV along the flow. The values of plasma potential and electric field in the flow are determined; the values of cathodic and anodic potential drops in the discharge are evaluated. The angular distributions of ion and neutral fluxes in the created plasma flow are described. It is shown that the plasma flows parameters depend substantially on the working material. With use of crossed electric and magnetic fields, the flow ionization coefficient was enhanced up to 85% for the discharge in Ti vapors, and 35% for the discharge in Cu vapors     

强流电子束源阴极等离子体的粒子模拟

 模拟了强流电子束源阴极表面附近区域数密度约1014 cm-3的等离子体的膨胀过程,观察到等离子体膨胀速度约为1 cm/μs。通过观察不同时刻阴极附近电子和离子的相空间分布、数密度分布和轴向电场分布,分析了等离子体膨胀过程。结果表明:等离子体的产生使得阴极表面电场增强,进而增大阴极的电流发射密度,电流密度增加使得空间电荷效应增强,并使等离子体前沿处的电场减小,当等离子体前沿处的电场减小到零时等离子体向阳极膨胀。讨论了等离子体温度、离子质量、束流密度和离子产生率对等离子体膨胀速度的影响。结果表明:等离子体的膨胀速度随着等离子体温度升高而增大,随离子质量增大而减小,但膨胀速度不等于离子声速;等离子体产生率越小,等离子体膨胀速度越小。