等离子体弧流数值模拟的研究进展.pdf

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1、北京石油化工学院学报第21卷第1期Vo1．21NO．1JournalofBeijingInstituteof2013年3月Mar．2O12Petro—chemicalTechnology等离子体弧流数值模拟的研究进展郭云龙，俞建荣，杨德宇，毛兴谦，曹敬博，张娟，姜术涛。(1．北京化工大学机电工程学院，北京100029；2．北京石油化工学院机械工程学院，北京102617)摘要：等离子体弧流的数值模拟研究对其在工业中的应用有重要的意义。详细阐述了等离子体弧流数值模拟研究的发展过程，主要包括自由等离子体弧流和约束等

2、离子体弧流2方面的研究进展，对应用ANSYS等数值分析软件建立等离子体弧流数学模型求解流体的温度场和速度场的方法进行了描述，综合考虑等离子体弧流的流动状态和三维约束等离子体弧流的数值模拟可能是未来的重要研究方向。关键词：等离子体；弧流；数值模拟；综述；分析软件中图法分类号：053文献标志码：A等离子体电弧是一种温度高、能量聚集、弧导电流体传热传质之间的相互作用，致使等离流速度大的放电电弧。由于他是一种压缩弧子体弧流的各个参数如温度、压力、速度、电流流，其压缩过程包括以下几个方面：弧流在流过密度等之间的相互作用

3、关系十分复杂(如图1特殊孔型的喷嘴时受到机械压缩，使截面积小；所示)[，所以在这种情况下进行数值分析模拟当弧流流过喷嘴时，弧流柱外围气体温度急剧一般都比较困难。下降，导电截面缩小，产生热收缩效应，弧流进一步被压缩，此时电流密度增加；由弧流内的带电粒子在弧柱区产生的电磁力使带电粒子之间相互吸引，使弧流再进一步被压缩。这种被压缩后的弧流能量高度集中，弧柱内的气体得到高度电离。当压缩效应的作用与弧流内部的热图1弧流等离子体间的复杂作用关系扩散达到平衡后弧流便成为稳定的等离子弧。等离子体模型的建立涉及到求解中性粒子由

4、于弧流电压与电流的关系是用来描述弧流和带电粒子的动量守恒方程、能量守恒方程、麦放电的重要特性曲线，所以，控制等离子弧流的稳克斯韦方程组，要想将等离子体弧流的各个参数定性是非常重要的研究内容。在电弧放电过程都放到1个模型中，模型的复杂程度会增加许中，电弧内部的电阻会突然变化，导致电流电压的多，导致求解困难口]。再加上整个模型可能会变化。直流弧流稳态电压电流特性曲线表示的是受湍流作用，这样就会有边界层的存在，出入口弧流在稳定状态燃烧。等离子弧流比其他直流弧的边界条件设定就会显得格外重要，所以在建立流具有更多不一样

5、的特征，所以研究等离子弧流模型时首先要简化等离子体电弧的流动与传热稳定性机理及其控制方法无论在理论方面还是在规律，然后尽可能的简化模型，做成轴对称图形。实际工程应用上都具有重要的意义。从宏观上来讲，在弧流放电过程中，发生器1国内外研究现状及进展内部同时存在着电磁场、气动力场、电极过程及1．1国内研究现状1．1．1弧流炉内部数值模拟收稿日期：2012-09—17作者简介：郭云龙(1988一)，男，硕士生，Email：happylife—等离子体弧流炉内部温度场的分布如图2gyl@126．corn；俞建荣(196

6、4一)，男，博士，教授，E—mail：yujicmrong@bipt．edu．cn。所示。炉体简化成封闭的轴对称模型，实际上在第l期郭云龙等．等离子体弧流数值模拟的研究进展35zlmm图6自由弧流计算区域图8双温度数值模拟电弧弧长与电压关系图状态。量利用率很高，原因就是在其内部的等离子体1．2．2约束性等离子体弧流数值模拟区域有非常明显的非平衡型。法国的F．约束等离子体弧流模型与自由弧流相比，Richard对滑动弧流的物理特性进行了研究，电极在喷嘴内部，喷嘴对弧流起到约束作用，弧实验研究证明弧流的移动会导致电

7、压的增加，流温度更高，流动速度更快，如图7所示。最大电压值与弧流的击穿电压相对应，并且用Elenbaas—Heller方程可以得到电弧放电时轴向上的温度场分布口。而且还得到了不同气体流量下温度场的分布变化。f0一高0_【高由图9、图l0温7度6分5布4可3知2，在●弧0流导电765432区的温度能达到4000～6000K，而且温度会随气流量增加而增加。Ir“r圳J1420图7转移型约束等离子体弧流由于在喷嘴内部，弧流温度与流动速度会有急剧不稳定的变化，所以在数值模拟过程中要将喷嘴部分算在整个数学模型中会存在一

8、定的困难，需要进行其他的算法处理。1999年，WesthoffR和Fretonl9在HSL1的研究基础上进一步考虑了等离子体双温度模拟的情况，如一C0nducI一一一一／图8所示。WesthoffR将喷嘴部分包含进其}+一一1lg42oO00of昌所建立的弧流模型中¨】。非转移型弧流电流一60在阴钨极与喷嘴阳极之间流动，之前由于忽略一40了喷嘴部分，就不会考虑其内部的电磁力的分一20O5布l1，但是