磁分散電弧等離子體的實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬.pdf

1、電弧等離子體由于具有高溫、高焓、高化學(xué)活性等優(yōu)點(diǎn)而獲得了廣泛的應(yīng)用，但其體積小、能量高度集中、參數(shù)梯度大等特點(diǎn)制約了它在化學(xué)沉積、材料制備等領(lǐng)域的發(fā)展，這些領(lǐng)域迫切需要一種體積大、參數(shù)梯度小的熱等離子體，以提高生產(chǎn)效率、改善產(chǎn)品質(zhì)量。 本文提出了利用磁旋轉(zhuǎn)分散電弧產(chǎn)生大體積均勻等離子體的研究思路，設(shè)計(jì)制作了一套磁旋轉(zhuǎn)電弧發(fā)生器裝置。該發(fā)生器由80mm內(nèi)徑的管形石墨陽(yáng)極與棒狀石墨陰極組成，外磁場(chǎng)則由繞制在陽(yáng)極外壁上的螺線(xiàn)管線(xiàn)圈產(chǎn)生

2、。試驗(yàn)結(jié)果表明，利用強(qiáng)外磁場(chǎng)高速旋轉(zhuǎn)的方法可以有效地促進(jìn)收縮電弧分散。在完全分散狀態(tài)下，弧室截面上的等離子體光強(qiáng)分布趨于均勻，電弧電壓的波動(dòng)幅度顯著降低。 利用高速CCD與ICCD連續(xù)拍攝了弧室截面上的電弧圖像，發(fā)現(xiàn)了磁旋轉(zhuǎn)電弧分散發(fā)展過(guò)程中的多種電弧形態(tài)：不斷發(fā)展的螺旋結(jié)構(gòu)、并聯(lián)電弧、多陰極弧根、擴(kuò)散型電弧根、完全擴(kuò)散的電弧等離子體等。利用電弧圖像與電弧電壓、電流信號(hào)的同步采集，分析了電弧分散過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性，研究了外磁場(chǎng)、電

3、弧電流、工質(zhì)氣流量、電極熱狀況等對(duì)電弧形態(tài)、電壓特性、弧根附著狀態(tài)等的影響，對(duì)并聯(lián)電弧的穩(wěn)定、破裂等給出了定性分析。 以商用CFD軟件FLUENT為平臺(tái)，開(kāi)發(fā)并驗(yàn)證了模擬熱電弧傳熱與流動(dòng)的計(jì)算程序，進(jìn)而對(duì)三種不同條件下的磁作用電弧等離子體進(jìn)行了二維數(shù)值模擬研究： (1)數(shù)值研究了軸向外磁場(chǎng)、工質(zhì)進(jìn)氣速度對(duì)完全分散電弧等離子體中傳熱與流動(dòng)規(guī)律的影響。外磁場(chǎng)高速旋轉(zhuǎn)電弧引起的離心力促使等離子體從發(fā)生器中軸線(xiàn)附近向陽(yáng)極壁轉(zhuǎn)移，

4、引起該區(qū)域的壓力降低，發(fā)生器噴口外的環(huán)境氣體回流進(jìn)入發(fā)生器內(nèi)，電弧等離子體在軸向上回縮，而在徑向上擴(kuò)張。這種獨(dú)特的分布形狀是在噴口外拍攝磁旋轉(zhuǎn)電弧等離子體時(shí)，其光強(qiáng)分布比較均勻的根本原因。 (2)數(shù)值研究了發(fā)生器噴口外是空氣環(huán)境時(shí)，空氣回流對(duì)磁旋轉(zhuǎn)氬電弧等離子體特性的影響?？諝饣旌蠘O大地提高了電弧電壓，而進(jìn)口氬氣流量的增加可以有效地抑制空氣回流，因而在發(fā)生器內(nèi)，電弧電壓反而是隨著氬氣流量的增加而降低的，與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果定性相符。

5、 (3)數(shù)值研究了磁控焊接電弧中的傳熱與流動(dòng)規(guī)律。磁控電弧表現(xiàn)為中空鐘罩形狀，其陽(yáng)極表面的溫度、壓力、電流密度呈現(xiàn)雙峰分布。磁作用后，電弧加熱陽(yáng)極的范圍更大，傳遞給陽(yáng)極的熱量也增強(qiáng)。然而，利用強(qiáng)外磁場(chǎng)并不能無(wú)限制地徑向擴(kuò)張電弧，外磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)臨界值后，會(huì)轉(zhuǎn)而引起電弧徑向壓縮。實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究表明：由于高速旋轉(zhuǎn)，電弧等離子體產(chǎn)生了強(qiáng)烈的周向與徑向流動(dòng)，促使電弧等離子體在周向與徑向上分散，從而產(chǎn)生了大體積、參數(shù)相對(duì)均勻的等離子體，并