直流电弧等离子体炬的特性研究

介绍了局部热力学平衡下描述直流电弧等离子体炬的磁流体力学模型，采用数值模拟方法研 究了等离子体炬内等离子体的传热和流动特性、湍流对等离子体炬内等离子体特性的影响， 以及等离子体炬运行参数对等离子体特性的影响.将数值模拟结果与已有的实验结果进行了 比较. 关键词： 等离子体炬 磁流体力学 数值模拟     

电弧等离子体一维非定常数值模拟

 通过对毛细管内等离子体工作过程的分析给出了电弧等离子体的一维非定常数学模型,以热力学参量描述了非理想条件下等离子体的状态方程和电导率计算方法。利用差分法求解该数学方程组,给出了毛细管内电弧等离子体特征参量在毛细管内沿轴向随时间的变化规律。对数值模拟结果作相应的分析,并将部分模拟结果与实验数据作了比较。     

纵磁作用下真空电弧单阴极斑点等离子体射流三维混合模拟

真空电弧的特性直接受到从阴极斑点喷射出的等离子体射流的影响,对等离子体射流进行数值仿真有助于我们深入了解真空电弧的内部物理机制.然而,磁流体动力学和粒子云网格仿真方法受限于计算精度和计算效率的原因,无法有效地应用于真空电弧等离子体射流仿真模拟.本文开发了一套三维等离子体混合模拟算法,并在此基础上建立了真空电弧单阴极斑点...     

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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。     

喷气Z箍缩内爆动力学过程的数值模拟研究

在分析了喷气Z箍缩内爆等离子体物理过程的基础上，作了必要的假定和简化，给出了物理模型和相应的数学方程组.研制了一维三温辐射磁流体动力学的数值模拟程序，对氖喷气Z箍缩内爆产生高温高密度等离子体过程进行了总体数值模拟，得到了等离子体各参量在内爆过程中的时空分布，再现了该内爆动力学整体过程，并与GAMBLE-Ⅱ装置的实验结果进行了比较.计算结果表明，在对热传导系数和等离子体电阻率作适当调整后，得到的计算结果是自洽的，其中内爆到心时刻、x射线辐射脉冲的脉宽和总能量等宏观量与实验结果比较接近.同时对喷气Z箍缩内爆过 关键词： 喷气Z箍缩 x射线辐射 辐射磁流体动力学     

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采用了数值模拟与实验结合的方法研究了用于模拟放射性固体废物玻璃固化的非转移弧型等离子体炬的电、热特性。基于包括电弧室和开放空间在内的3D 模型得到了电弧等离子体和等离子体射流的温度场。根据计算结果,电弧室内的最高温度位于第一阳极内,达到41.77×10 K;弧电压的计算值高于实测值,二者之间的差异随着电流强度的增大而逐渐减小。采用该等离子体炬熔融模拟废物的实验发现,所确定的等离子体炬到炉底的距离能够满足废物熔融的要求,与计算的结果相符合。上述结果表明,数值模拟的结果可以作为等离子体炉工程设计的依据,并可以用作进一步分析等离子体炉炉膛内工艺过程的输入条件。     

放射性废物玻璃固化专用等离子体炬的数值模拟与实验研究

采用了数值模拟与实验结合的方法研究了用于模拟放射性固体废物玻璃固化的非转移弧型等离子体炬的电、热特性。基于包括电弧室和开放空间在内的3D 模型得到了电弧等离子体和等离子体射流的温度场。根据计算结果,电弧室内的最高温度位于第一阳极内,达到1.77×10⁴ K;弧电压的计算值高于实测值,二者之间的差异随着电流强度的增大而逐渐减小。采用该等离子体炬熔融模拟废物的实验发现,所确定的等离子体炬到炉底的距离能够满足废物熔融的要求,与计算的结果相符合。上述结果表明,数值模拟的结果可以作为等离子体炉工程设计的依据,并可以用作进一步分析等离子体炉炉膛内工艺过程的输入条件。     

自由燃烧电弧中传热与流动的数值模拟

本文对自由燃烧电弧中传热与流动进行了数值模拟,计算域除包括电弧本身外,还包括阴极与阳极。为了避免等离子体鞘层中复杂的物理过程给模拟所带来的困难,对阴、阳极鞘层分别进行了简化处理。文中讨论了不同形式的能量方程及其离散格式对计算结果的影响。并在求解能量方程时,考虑了电极－等离子体交界面处特殊的传热机理。     

铝丝阵列Z箍缩的辐射磁流体动力学过程

在拉格朗日坐标系下,建立了描述Z箍缩等离子体内爆动力学过程的一维三温辐射磁流体力学方程组,并编制了相应的拉氏程序。利用该程序对美国Sandia实验室Saturn装置上的铝丝阵列内爆实验进行了数值模拟,得到了内爆等离子体各参量的时空分布。其中内爆到心时刻、X光峰值功率、X光总能量等计算结果与实验结果基本一致。表明所建立的物理模型和编制的程序是合理和可靠的。     

铝丝阵列Z箍缩的辐射磁流体动力学过程

 在拉格朗日坐标系下，建立了描述Z箍缩等离子体内爆动力学过程的一维三温辐射磁流体力学方程组，并编制了相应的拉氏程序。利用该程序对美国Sandia实验室Saturn装置上的铝丝阵列内爆实验进行了数值模拟，得到了内爆等离子体各参量的时空分布。其中内爆到心时刻、X光峰值功率、X光总能量等计算结果与实验结果基本一致。表明所建立的物理模型和编制的程序是合理和可靠的。     

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研究了滑动弧放电过程中电参数的变化,并对滑动弧等离子体中的非平衡度和各个参数之间的关系进行了讨论。应用双通道电弧模型,对电弧在气流作用下运动规律进行了数值模拟,模拟所得的结果有助于分析滑动弧非平衡等离子体的产生机理。     

电磁内爆产生高温高密度等离子体的雪铲模型

本文对喷气负载电磁内爆产生的高温高密度等离子体的内爆压缩过程的雪铲模型进行了改进，同时建立了相应的数学方程组并进行了数值计算，又将计算结果和实验结果进行了比较。结果表明，本文提出的模型可以为喷赠载是磁内爆实验方案析设计提供依据。     

颗粒与交流电弧等离子体温度场的相互作用

研究了大气压下交流电弧等离子体温度场与入射颗粒的相互作用．在等离子体连续方程、能量方程中增加一项由颗粒直径及能焓变化引起的源项,对方程组进行无量纲化以及对弧柱边界进行迭代解决了交流电弧等离子体的动边界问题．计算了不同的颗粒入射量、颗粒半径、交流频率、初始弧柱半径和有无对流等五种情况．通过对铝颗粒和氩等离子体的计算表明：颗粒和交流电弧等离子体的相互作用对颗粒的加热历程和等离子体温度场都有重要影响．研究结果适用于交流频率范围10—100Hz.这个范围包括了大多数工业用交流电弧的频率. 关键词：     

双钨极耦合电弧数值模拟

基于流体力学方程组和麦克斯韦方程组, 在合理的边界条件下, 建立了双钨极耦合电弧三维准静态数学模型. 通过对方程组的迭代求解, 获得了不同钨极间距和电弧长度下耦合电弧的温度场、流场、电弧压力和电流密度分布等重要结果, 与已有的实验研究符合良好. 模拟结果表明: 与相同条件下的钨极惰性气体保护焊电弧相比, 双钨极耦合电弧的最高温度和最大等离子流速较低, 阳极表面电弧压力和电流密度峰值明显减小; 钨极间距和弧长对耦合电弧的温度场、流场、电流密度和电弧压力等都具有显著的影响, 且耦合电弧阳极的电弧压力和电流密度分布不能用高斯近似进行描述. 关键词： 耦合电弧 三维模型 数值模拟     

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采用简化阴极的一维边界层模型,将同轴磁旋转电弧等离子体发生器的阴极与弧柱耦合求解,使用FLUENT软件,数值模拟了不同锥角阴极的形状对磁分散电弧等离子体、阴极弧根和阳极弧根位形的影响.结果表明:阴极弧根具有扩散特征,其电流密度为107A·m-2量级;阴极形状的改变引起阴极弧根位形和电流密度分布变化,从而影响等离子体参数分布;随着阴极锥角的增大,阴极弧根从阴极前端移动到阴极侧面,等离子体区域向下游偏移,等离子体轴向厚度减小.     

钨丝阵等离子体Z箍缩的数值模拟

采用二维三温磁流体力学模型，模拟了“强光一号”加速器上钨丝阵箍缩实验.给出了等离子体密度和温度时空分布的特点，分析了磁场以及电流密度的演化，计算出的x射线功率随时间变化与实测结果基本相符.计算结果为等离子体的诊断提供了有用的信息.此外，还讨论了Z箍缩辐射磁流体力学数值模拟中的相关参数和数值方法问题. 关键词： 钨丝阵 Z箍缩 数值模拟     

采用双分布函数格子Boltzmann方法的直流氩等离子体流动与传热分析

本文采用双分布函数格子Boltzmann方法(DDF-LB)模拟了直流氩电弧等离子体中的流动与传热问题。针对非局域热平衡状态下热等离子体中的原子、离子和电子三种组分,推导给出了不同组分的格子Boltzmann方程,通过耦合迭代求解得到各组分的温度和速度分布。文中采用随温度变化的松弛时间用以提高数值计算的稳定性。通过将本文的计算结果与文献结果进行比较,验证了DDF-LB方法求解等离子体中能量输运问题的稳定性和数值精度。     

激光等离子体产生X射线数值模拟的两个问题

对激光等离子体产生X射线的数值模拟中的光路方程组,提出了采用Runge-Kutta求解的思路。对计算X射线发射中需要求解的束缚电子占据概率方程组,讨论了采用显式求解的可能性。得到的计算结果初步表明,我们提出的方法是可行的。     

激光与靶非平衡耦合的数值模拟

对激光与高Z靶耦合主要物理过程,其中包括激光吸收,电子热传导,等离子体运动,非平衡原子物理,X光转换和辐射输运等现象的数值模拟作了全面的概括性描述。提出了总体微分方程组,建立了差分计算格式和求解方法,给出了程序数值计算的结果。     

基于电弧光谱诊断的水下湿法焊接电弧等离子体组分计算

水下湿法焊接技术近年来得到了越来越广泛的应用,提高水下湿法焊接的焊接质量是很多研究的重点。水下湿法焊接电弧等离子体组分直接影响焊接稳定性和焊接质量,但对水下湿法焊接电弧等离子体组分的相关研究一直很少,更缺乏从光谱层面对水下湿法焊接电弧等离子体组分进行诊断研究。首先通过对水下湿法焊接的过程进行研究,搭建了水下湿法焊接实验平台,通过电弧光谱诊断系统,对得到的电弧光谱进行诊断分析,确定了计算电弧等离子体组分所考虑的主要元素。在光谱诊断结果的基础上,进一步对水下湿法焊接电弧气泡成分的解离和电离过程进行分析,确定了计算水下湿法焊接电弧等离子体组分所需考虑的18种粒子,在计算得出配分函数的基础上,通过牛顿迭代法求解由Saha方程、电荷准中性和方程原子守恒方程组成的方程组,得出了各个粒子的数密度,绘制了各个粒子的数密度随温度变化的曲线。计算结果表明,在不同温度区间,水下湿法焊接电弧等离子体中发生的反应不同,生成的主要粒子不同,在温度较低时,水下湿法焊接电弧等离子体主要是由没有电离的分子、原子及电离能较低的低价态离子组成,随着温度的升高,解离反应和电离反应持续进行,高价态的离子不断被电离出来;不同粒子随温度变化的趋势也不同,有的粒子数密度随温度持续升高,有的不断降低;计算的结果显示各粒子在不同温度区间变化的趋势与光谱诊断结果相符合,验证了计算结果的正确性。等离子体组分的确定为从机理层面对水下湿法的电弧进行研究奠定了基础,也为进一步对水下湿法焊接电弧热力学属性及辐射属性等参数的研究提供了理论依据。