等离子射流流动特性数值仿真与 实验分析

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1、硕士论文等离子射流流动特性数值仿真及实验研究1绪论1．1研究背景及意义等离子射流利用导电气体中电流和磁场间的相互作用力使气体高速喷射产生，工作介质是电离的高温气体一等离子体。等离子体的术语由1928年郎缪尔(Langmuir)提出，并用来描述真空放电管中电解放电的正柱区¨J。等离子体是一种广泛存在于宇宙的物质，常被视为物质的第四态，是指在高温作用下，物质原子内的电子脱离了原子核的吸引，正、负带电粒子独立存在⋯。1808年，Davy和Ritter[1J在两个水平碳电极之间成功地点燃了电弧。在此之后，许多科学家进一步确定了电弧电压

2、的定义，主要包括阴极电位降、弧拄电压和阳极电位降三部分组成。1921年，Beck首先开创性地提出了大电流碳弧(又称Beck弧)，从而使电弧技术的应用有了可能性。磁流体力学和等离子体动力论是在20世纪30年代开始发展起来的。等离子体速度分布函数满足福克一普朗克方程。1942年，印度的s．钱德拉塞卡采用试探粒子模型对弛豫过程进行相关研究。30年代至50年代，苏联和美国的研究人员通过刘维定理，进一步得到了不封闭的方程组，称之为BBGKY链。由上述公式可进一步导出符拉索夫方程等，这些研究工作为等离子体动力学奠定了充分的理论基础。195

3、7年，苏联成功发射了第一颗人造卫星，从此之后，许多国家进行了大量的科学卫星和空间实验室的研究活动，得到了大量的实验数据，这些活动大大地促进了天体和空间等离子体物理学的长足发展。在此期问，人们开始致力于等离子体按温度分类的研究，从而发现了热等离子体。热等离子体是指粒子温度大约在10000k左右的电离气体，其各组分包括正离子、中性粒子以及电子等，而且，上述电离气体处于局部热平衡状态，气体的主要特征特性主要由压力和温度决定。因此，热等离子体可以通过热力学的相关概念进行描述。在气体放电和电弧技术等相关技术的基础上，等离子体技术也得到了

4、进一步的发展，应用到了许多领域，包括等离子体切割、喷镀、磁流体发电等，更是被应用于等离子推进技术。在等离子推进方面的运用，前苏联进行了大量等离子体推进器的相关实验，西方发达国家也进行了大量相关的试验研究。在60年代，这种加速装置得到了进一步的试验验证。在t970年，该装置的整个系统的设计，包括推力室、电源调节器、推进剂贮箱和供应系统等，己基本完成。1971年，“闪电”卫星首次装载了该系统，飞往太空。之后，前苏联的多种卫星和航天器都装载了该系统，并顺利飞往太空。在不断的实践中，该系统也得到了进一步的优化，性能也得到了大幅度的提高

5、。目前，俄罗斯在卫星上优先选用电推力装置作为动力装置。如今，用电场驱动的等离子射流都是在惰性气体的条1绪论硕士论文件下产生的，等离子推进技术中射流的产生亦是应用此原理。美国NASA的HohnFoster也已经建立了微型推进系统，压缩氙气在高能电子电力的作用下，从O．18mm孔逸出，并产生推力，从而使压缩电子远离丝极，它们在磁力作用下，聚集到孔上，最终离子将会加速到50～200eV，并产生推力。该系统的燃烧效率很高，80％以上的燃料能够成功地转变成离子。为了将等离子体应用于推进技术，必然要对电弧加热等离子体射流流动过程展开深入的

6、研究。本课题针对等离子体推进中的磁流耦合流场，采用Fortran编程，编制了磁流体动力学仿真软件，将磁场与流场进行耦合计算，并结合实验，开展等离子射流流动过程的实验和仿真研究。1．2等离子射流的应用与研究概况等离子射流是通过喷枪两极间产生的等离子弧经过一定的物理压缩所产生的高温、高压射流，而等离子射流作为一种重要的热源，在现代工业中被广泛使用。等离子射流可以用来做切割、喷涂、焊接等，其起源于上世纪50年代，最早被应用与等离子切割，当时的人们发现使用较大的电流与气体流量用氩弧焊炬就能对金属进行切割，等离子电弧所产生的离子束的物理

7、特性是温度极高、能量高度集中、气体可达很高温度。等离子弧又被称为压缩电弧，是电弧的一种特殊形式，等离子弧通过喷枪产生的离子束形成等离子射流。等离子切割是利用高温、高压和高能的等离子气流来加热和融化切割材料，能切割绝大多数的非金属与金属材料，1955年，美国人首次将等离子射流在切割技术中的理论投人到了工业上应用中，并将氢气作为工作介质将等离子射流用于切割铝及其合金，而氮．氢混合气、氧一乙炔混合气等方法则在后来被用于此技术，等离子切割技术还被拓展用于切割铜、不锈钢以及其合金等有色金属，如今己成为了一种有效切割手段而被广泛应用。国内

8、对于等离子射流的研究在理论上也进行了突破。周前红、郭文康和李辉【2J等研究了等离子切割的保护气对其影响，并进行了数值模拟，通过运用不同的保护气，作者计算了离子束在喷口处的物理量，发现弧柱区的氧气含量不受影响，保护气的改变不会影响到弧电压。殷凤良、胡绳荪、郑振太【3】等对等离子