耦合电极的磁分散电弧等离子体的数值模拟研究.pdf

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1、中国科学技术大学博士学位论耦合电极的磁分散电弧等离子体的数值模拟研究作者姓名：学科专业：导师姓名：完成时间：白冰热能工程夏维东教授二。一二年五月三十一日文UniversityofScienceandTechnologyofChinaA．dissertationfordoctor’SdegreeTheSimulationOfMagneticallyDispersedArcPlasmaCoupledWithElectrodeAuthor’SName：speciality：Supervisor：。⋯1●’-lnishedtime：BingBaiThermalEn

2、gineering一——Prof．WeiDongXiaJune31th，2012声明中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：签字日期：中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子舨，允许论文被查阅和

3、借阅，可以将学位论文编入《中国学位论文全文数据库》等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。口公开口保密(——年)作者签名：签字日期：导师签名：签字日期：摘要电弧等离子体在工业中应用广泛。由于其自收缩效应，使得等离子体具有体积小、能量集中、参数梯度大等特点，给等离子体大规模工业生产带来了困难，如原料注入困难、产品均匀性难以控制等。在同轴电极磁旋转电弧等离子体发生器中，洛伦兹力驱动电弧高速旋转，电弧被分散，产生充满弧室截面的均匀等离子体，这种

4、新颖电弧等离子体源被称之为大面积分散电弧等离子体源(LargeAeraDispersedArcPlasmaSourece—LADAPS)。与收缩电弧等离子体相比，磁分散电弧等离子体的弧柱周向均匀、阳极弧根扩散、阴极弧根呈现出收缩、分裂和扩散等多种形式的特征，且这些阴极弧根位形是动态的和可转化的。对于这些物理现象的试验结果的理论研究尚不够深入，尤其是阴极弧根位形与弧柱等离子体位形之间关系尚未有研究报道，实验研究存在很大困难。对此开展数值模拟研究，有助于加深对磁分散电弧等离子体位形及产生的机理的理解，为磁分散电弧应用提供理论指导。本文改进了Lowke一维阴极模

5、型，构建了耦合阴极的磁分散电弧等离子体计算的MHD模型和方程，解决了电极与等离子体耦合计算的问题，编写了相应的FluentUDF程序。数值模拟计算了不同条件下磁分散电弧等离子体位形，揭示了磁分散等离子体传热与流动规律，探讨了电弧的阴极弧根与弧柱之间的相互作用关系以及其对磁分散电弧等离子体位形的影响。在小尺度(弧室直径①10)同轴磁旋转电弧等离子体发生器中，采用二维模型数值模拟了完全分散电弧等离子体位形。分别研究了不同锥角的阴极形状、轴向磁场强度、入口气体速度、电弧电流以及阴极材质等对等离子体参数分布及流动状况的影响。计算结果显示：(1)JJl]入轴向磁场后

6、，等离子体的阴极弧根，弧柱及阳极弧根都为扩散型，其电流密度都显著低于自由燃烧弧阴极弧根、弧柱和阳极弧根的电流密度；(2)随着阴极锥角的增大，阴极弧根由阴极前端面中心向阴极侧面移动，扩散性增强，电流密度降低。阴极弧根位形的变化导致等离子体温度，速度，弧压等参数均减小，等离子体位形变化不大；(3)随着轴向磁场强度的增大，阴极弧根由阴极前端面中心向阴极侧面移动，弧根扩散程度增大，电流密度减小，等离子体极值温度降低；阳极弧根在轴向上被压缩，电流密度增大；(4)随着入口气体速度的增大，等离子体阴极弧根被吹到阴极前端，弧根电流密度分布变化很小，电弧被拉长，弧压升高，等

7、离子体轴向厚度增大，温度梯度减小，流动加剧；(5)电弧电流对等离子位形基本无影响，仅影响等离子体温度，速度，弧压的极值；大的电弧电流更容易造成阴极弧根扩散：(6)阴极功函数提摘要高，弧根电流扩散性减弱，弧根电流密度略微增大，对等离子体位形影响较小，仅能略微提高等离子体温度。采用二维模型耦合电极计算轴向磁场对针．板电极电弧等离子体位形的影响，得到的结果是：(1)随着轴向磁感应强的增加，阳极弧根电流在轴心分布减小，电流密度极值位置外移，呈现空心趋势；(2)弧柱在在阳极附略有扩张，而在阴极附近收缩，后者与同轴电极磁旋转分散电弧有相反的变化趋势，随着轴向磁场增加，

8、阴极弧根直径减小，弧根电流密度增加；(3)继续增大轴向磁场，等离子