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     

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。     

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。     

常压微波等离子体炬装置的模拟与设计

介绍了一台低成本的常压微波等离子体炬设备,给出了该设备构造及喷嘴的设计思路,分析了各种气体的非磁化微波等离子体的击穿电场强度,数值求解了设备中矩形TE103谐振腔中的电磁场分布,应用高频电磁场模拟分析软件HFSS优化了喷嘴在波导中的具体位置,并对优化后喷嘴周围的电场分布进行了模拟。模拟结果表明：微波输入有效功率为500 W,喷嘴伸出矩形波导1 mm时,喷嘴尖端处的电场强度在1.2×106 V·m-1以上,远大于氩气的击穿电场强度,更易于等离子体炬的激发。实验结果证明了模拟结果的正确性和装置的有效性。     

常压微波等离子体炬装置的模拟与设计

 介绍了一台低成本的常压微波等离子体炬设备,给出了该设备构造及喷嘴的设计思路,分析了各种气体的非磁化微波等离子体的击穿电场强度,数值求解了设备中矩形TE103谐振腔中的电磁场分布,应用高频电磁场模拟分析软件HFSS优化了喷嘴在波导中的具体位置,并对优化后喷嘴周围的电场分布进行了模拟。模拟结果表明：微波输入有效功率为500 W,喷嘴伸出矩形波导1 mm时,喷嘴尖端处的电场强度在1.2×10⁶ V·m^-1以上,远大于氩气的击穿电场强度,更易于等离子体炬的激发。实验结果证明了模拟结果的正确性和装置的有效性。     

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。     

热等离子体炬技术及其应用现状

近年来，等离子体技术已经成为生产更新、更好材料的新技术。其中热等离子体和重粒子温度都较高，约为10^3～10^4K量级，电子温度范围为10^4～10^6K，接近于局域热力学平衡状态，可以用统一的热力学温度来描述热等离子体的状态。热等离子体具有高温、高焓、高能量密度以及气氛可控、温度梯度大等特点，已经在机械加工、冶金、材料、化工和环保等领域得到广泛应用。     

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为了提高等离子体废物处理效率,根据磁流体动力学理论,利用计算流体力学软件FLUENT,采用磁矢量势的方法对直流双阳极非转移型电弧等离子体炬进行了二维轴对称数值模拟。计算中采用了SIMPLE算法。数值模拟得到了等离子体的温度、速度等分布。结果表明,等离子体的温度随着轴向距离的增加而减小,随弧电流增加而增加;其速度随着轴向距离的增加而先增大后减小,随弧电流增加而增加;等离子体炬出口处的温度和速度随着径向距离的增加而减小。这些结果与实验结果基本相符。     

Three—dimensional modelling of the flow and heat transfer in a laminar non—transferred arc plasma torch

By experimental observation we show that the plasma flow and heat transfer within a direct current (DC) nontransferred arc plasma torch always show appreciable three-dimensional (3D) peculiarity even when the geometrical construction of the torch and working gas admission and external electrical collection conditions are completely axisymmetrical.Previous two-dimensional (2D) modelling studies cannot predict the 3D peculiarity of the plasma torch.We have successfully performed 3D modelling,and in this paper we present the modelling results for the plasma flow and heat transfer characteristics in a laminar DC non-transferred are argon plasma torch.The predicted arc-root location on the surface of the torch anode and arc voltage compare favourably with the corresponding experimental results.     

大气压微波等离子体炬的仿真设计与实验

设计了一个低成本、高稳定性的基于BJ22矩形波导的微波等离子体炬源。整个系统由1～10 kW主频2.45 GHz的磁控管微波功率源、环形器、调谐器和微波反应腔体组成。通过特殊设计的调谐装置,在气体喷嘴处产生高幅值的电场强度,使工作气体电离形成大气压开放式微波等离子体炬。对影响电场强度的几个关键因素进行了仿真,得出各个参数对场强的影响规律;根据仿真参数设计了微波反应腔体,该系统可以在大气压下激发和维持开放的稳定氩气、氦气、氮气和空气等离子体炬。对等离子体炬的基本特性和基本参数进行了研究,验证了设计参数的正确性,讨论了其可扩展性及潜在的工业应用。     

大气压等离子体炬电子密度的光谱诊断

利用空心针-板放电装置产生了大气压等离子体炬,采用光谱法测量了其内部及表面的电子密度. 向空心针中通入氩气,在大气环境中产生了长度为1cm的等离子体炬.实验分别测量了Hα谱线和ArⅠ(696.54nm)谱线,通过反卷积方法分离出其相应的Stark展宽,并由此计算了电子密度.结果发现,采用Hα谱线和ArⅠ(696.54nm)谱线Stark展宽计算得到的等离子体的电子密度分别为1.0×10¹⁵cm^－3和3.78×10^{15关键词： 等离子体炬 电子密度 气体温度 Stark展宽}     

大气压微波等离子体炬的仿真设计与实验

设计了一个低成本、高稳定性的基于BJ22矩形波导的微波等离子体炬源。整个系统由1～10 kW主频2.45 GHz的磁控管微波功率源、环形器、调谐器和微波反应腔体组成。通过特殊设计的调谐装置,在气体喷嘴处产生高幅值的电场强度,使工作气体电离形成大气压开放式微波等离子体炬。对影响电场强度的几个关键因素进行了仿真,得出各个参数对场强的影响规律;根据仿真参数设计了微波反应腔体,该系统可以在大气压下激发和维持开放的稳定氩气、氦气、氮气和空气等离子体炬。对等离子体炬的基本特性和基本参数进行了研究,验证了设计参数的正确性,讨论了其可扩展性及潜在的工业应用。     

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.     

氩气电弧等离子体炬提纯大鳞片石墨研究

石墨材料作为一种工业原料,特别是纯度在99.9%以上的高纯石墨被应用在各大高科技领域,现有物理法和化学法的石墨提纯技术成本高、酸碱对设备和环境破坏严重、工艺流程复杂,因此开发一种优良有效的石墨提纯技术,已成为近年来国内外研究的热点。建立了一种利用非转移电弧等离子体炬提纯大鳞片石墨的方法,利用电弧可快速产生高温的特性,对黑龙江省鸡西市纯度为94.18%的大鳞片石墨样品进行高温处理。研究显示在本文电弧装置下提纯石墨的最佳放电参数范围气流量为25 L/min、电流为400 A、功率为10 kW,此时的电弧表面温度高达3350 ℃,利用扫描电子显微镜等对电弧处理前后石墨样品的微观结构对比发现石墨样品出现粉碎、断裂等特点,根据石墨化学分析方法国家标准GB/T 3521 2008对石墨纯度及其杂质进行研究分析,经电弧处理后石墨纯度提高到99.21%。     

Characterization of a non-thermal plasma torch in streamer mode and its effect on polyvinyl chloride and silicone rubber surfaces

In this study, a non-thermal plasma torch in steamer mode was characterized to apply for surface modification in ambient air. The plasma source is a central rod-ring configuration based on DBD operation. Mixture of Ar/air gases was passed through the hollow Copper rod. A home-built high voltage generator at 18.8 kHz was employed to ignite the plasma. Electrical features of plasma torch were studied and different regions of plasma were examined using optical emission spectroscopy to explore the reactive species that result in efficient treatment. The surfaces of polyvinyl chloride (PVC) and silicone rubber (SIR) films were treated by the cold plasma torch. Contact angle measurement shows the improvement of surface hydrophilicity and wettability. Analysis revealed that the surface energy of the films increases indicating their activation after plasma treatment. This process is attributed to increasing the polar component of the surface energy.     

新型大气压微波等离子体炬的仿真研究

设计了一种新型的大气压微波等离子体炬结构。入射主频为2 450 MHz,基于HFSS软件对其进行了仿真研究。在仿真过程中,对该结构的各个参数进行了优化,并得出对场强分布的影响规律。结果表明,探针的使用对腔内场分布有很大影响。根据优化参数对微波等离子体炬进行了仿真模拟,在等离子体发生腔产生了高幅值的电场强度,品质因数达到2×104,可以在大气压下激发等离子体。