等离子体电弧数值模型研究

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1、等离子体电弧数值模型研究一、电弧等离子体简述等离子体为物质的第四态，是指部分或全部被电离的物质。工业生产中应用的热等离子体温度为2000-20000K,也称为低温等离子体。1808年Devy和Ritter首次在两个水平碳电极之间炽燃了等离子电弧。1921年Beck首创了大电流碳弧,从而开创了等离子体电弧技术应用的可能性。第二次世界大战后，化学、食品工业和电力工业迅速增长，电弧和热等离了体技术的应用得到快速发展。上世纪50年代开始广泛应用于机械工业中的热加工，如等离子切割、焊接、喷涂等。60年代发展了大

2、功率、长寿命的等离子体发生器，并成功应用于制备各种难熔金属、金属陶瓷的粉末和超细粉末等。70年代初的能源危机极大地推动了热等离子体技术在能源科淫屮的应用，如工程加热、冶炼、同位素分离等等、等离子体点火由于具有较高的能量密度等特点，现在已经在材料加工、能源、化工、航天等众多工业领域中得到广泛应用。电弧等离子体具冇温度高、能量集中和反应气氛可控等特点，所以它在很多领域里都获得了愈来愈广泛的应用。近年来，在飞行器重返大气层的相关研究领域，也广泛应用了电弧技术，主要应用电弧的高温、可控、能量集屮等特点，对飞行

3、器的表而进行烧蚀实验，以确定飞行器重返大气层时所受的压力、烧蚀等状况，进而为飞行器表面进行相应的处理、固化提供依据。二、早期的电弧模型早期对电弧的数学研究仅局限在解析方法上，上世纪30年代Elenbaas和Heller•通过建立电弧能量方程，求得了弧柱内的温度分布，并建立了电弧半径、屯场强度和电流等参数之间的关系。假设条件为：弧柱是轴对称、等截面且无限长的（即一维假定）：电弧弧柱内部和外部介质均无宏观介质流动；电弧弧柱的辐射忽略不计，则Elenbaas-Heller电弧能量平衡方程可表示为:其物理意义

4、是，弧柱内部单位体积、单位吋间内电流产生的焦耳热与导热散失的热量所平衡。Steenbeck捉岀的通道模型是最简单的一种近似求解方法，其基本思想是把一维壁稳弧分为两个通道：a）弧柱通道，假设电流全部流经此通道，而且在此通道内具冇均匀温度；b）非弧柱通道，在此通道内无电流通过。这样就可以较为简单的求解伏安特性曲线和相应电流下的弧柱半径、热势和弧温度等参数。1978年，Ramakrishnan根据流体守恒控制方程建立了大屯流下的一维近似电弧数学模型。三、自由等离子体电弧的数值模拟关于等离子体电弧模型的不断完

5、善体现在假设条件的减少上，包括控制方程能够更好地体现电弧的物理本质和边界条件更为合适。HsuKC等人首次根据流体守恒控制方程和麦克斯韦方程组对整个电弧区域建立了二维模型，也就是耦合考虑了电磁力、热传递、气体流动等的作用，使得对电弧行为的准确数学描述成为口J能。模型中流场与电磁场被赋予不同的计算区域，电磁场屮没有考虑阴极形状的影响。该模型给出了电弧模型计算屮最关键的边界条件一电弧电磁场计算区域入口处的电流密度分布，其形式如公式所示：丿（厂）=人axexp（-防）（2）式中，最大屯流值人瘁是利用电弧照片得

6、到的，假定电流在磚极端部发亮区域为均匀分布：面常数b可由公式⑵和公式⑶共同得到I=2龙『j（小dr（3）而其它边界条件对计算结果影响与电流密度相比是很小的。HsuKC与PlenderE首次考虑了电弧的非热力平衡问题，也就是假定电了和重离子具冇不同的温度，计算结果表明，在电弧温度超过10000K的区域可以认为电弧处于热力学平衡状态。TSAIMC与KOUSNDO的模型考虑电极形状对电磁场的影响，也包含了保护气喷嘴部分。对电弧特性进行模拟研究的一个重耍目的在丁获得电弧对工作的热、力作用。CHODRTC等人的

7、电弧模型中计算了电弧对阳极工件的热输入量，包括电了、对流和辐射等作用，模拟结果与试验测量结果较为符合。但是该模型存在以下缺点：电极端部是平的；假设阴极电流密度是平均分布的；没有考虑阴、阳极处微量元素蒸发的影响。阴极附近的电流密度分布边界条件对电弧特性模拟结果冇很重要的彩响。这是因为电流是产生电磁力的根本原因，也是电弧的热源，因而对电弧的流场、热场存在很大的影响，在以上模世屮都不能真正反映出电极形状对电流密度分布的影响，因而都存在一定的缺陷。四、约束型等离子体电弧约束等离了体电弧与口由电弧相比，电极在喷

8、嘴内部，喷嘴对电弧起到约束作用，屯极温度更高、流动速度更快。已冇的约束型等离子电弧模型人都是关于二维非转移型的。MokelligetJ首先建立了二维非转移型约束等离子体电弧模型,但是并没有包描约束喷嘴部分，而在喷嘴出口处需要假设温度和速度分布，并不能反映喷嘴内部电弧情况。止是由于电弧温度、流动速度在喷嘴内的剧烈变化，使得将喷嘴部分包含进屯弧模型中来在数学计算上存在一定的困难，需要一些特殊的处理。WeshoffR将喷嘴部分包含进其所建立的电弧模型屮。非转移