磁分散電弧等離子體的實驗研究與數(shù)值模擬.pdf

1、電弧等離子體由于具有高溫、高焓、高化學活性等優(yōu)點而獲得了廣泛的應用，但其體積小、能量高度集中、參數(shù)梯度大等特點制約了它在化學沉積、材料制備等領域的發(fā)展，這些領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分散電弧產(chǎn)生大體積均勻等離子體的研究思路，設計制作了一套磁旋轉電弧發(fā)生器裝置。該發(fā)生器由80mm內(nèi)徑的管形石墨陽極與棒狀石墨陰極組成，外磁場則由繞制在陽極外壁上的螺線管線圈產(chǎn)生

2、。試驗結果表明，利用強外磁場高速旋轉的方法可以有效地促進收縮電弧分散。在完全分散狀態(tài)下，弧室截面上的等離子體光強分布趨于均勻，電弧電壓的波動幅度顯著降低。 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)了磁旋轉電弧分散發(fā)展過程中的多種電弧形態(tài)：不斷發(fā)展的螺旋結構、并聯(lián)電弧、多陰極弧根、擴散型電弧根、完全擴散的電弧等離子體等。利用電弧圖像與電弧電壓、電流信號的同步采集，分析了電弧分散過程中的動態(tài)特性，研究了外磁場、電

3、弧電流、工質(zhì)氣流量、電極熱狀況等對電弧形態(tài)、電壓特性、弧根附著狀態(tài)等的影響，對并聯(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，開發(fā)并驗證了模擬熱電弧傳熱與流動的計算程序，進而對三種不同條件下的磁作用電弧等離子體進行了二維數(shù)值模擬研究： (1)數(shù)值研究了軸向外磁場、工質(zhì)進氣速度對完全分散電弧等離子體中傳熱與流動規(guī)律的影響。外磁場高速旋轉電弧引起的離心力促使等離子體從發(fā)生器中軸線附近向陽極壁轉移，

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，而在徑向上擴張。這種獨特的分布形狀是在噴口外拍攝磁旋轉電弧等離子體時，其光強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，空氣回流對磁旋轉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，與實驗測量結果定性相符。

5、 (3)數(shù)值研究了磁控焊接電弧中的傳熱與流動規(guī)律。磁控電弧表現(xiàn)為中空鐘罩形狀，其陽極表面的溫度、壓力、電流密度呈現(xiàn)雙峰分布。磁作用后，電弧加熱陽極的范圍更大，傳遞給陽極的熱量也增強。然而，利用強外磁場并不能無限制地徑向擴張電弧，外磁場強度超過臨界值后，會轉而引起電弧徑向壓縮。實驗和數(shù)值模擬研究表明：由于高速旋轉，電弧等離子體產(chǎn)生了強烈的周向與徑向流動，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)相對均勻的等離子體，并