电弧等离子体全域数值模拟

论文摘要

电弧等离子体具有高温、高焓和高化学活性的特点,广泛应用于喷涂、金属切割、焊接、冶金、化工、废物处理等许多工业领域。电弧与电极边界具有非常复杂的物理机制,实际测量非常困难,而数值模拟恰好是理解电弧放电过程的一种有效手段。本文基于现有电弧等离子体弧柱、近阴极区和近阳极区的模型,包括弧柱的双温和化学非平衡模型、鞘层/预鞘层和Knudsen层（努森层）的一维建模以及弧柱耦合鞘层模型,进一步分析了电弧内部近电极区与弧柱之间在电流密度、粒子密度、电子温度、以及能量通量等重要参数上的耦合关系,建立了电弧等离子体阴极-近阴极区-弧柱-近阳极区-阳极的全域耦合物理模型,将计算结果与实验结果和原有模型计算结果进行了比较;利用所建立的模型对整个电弧等离子体放电区域进行研究,得到了一些有意义的研究结果。1)首先建立了弧柱-阴极耦合模型:弧柱采用化学平衡的双温模型,近阴极区的鞘层和预鞘层采用一维建模,在近阴极区的能量平衡中考虑了电子和重粒子热传导;在弧柱-阳极耦合模型中,将考虑了化学非平衡的弧柱与阳极鞘层直接耦合,在阳极鞘层中考虑了正负鞘层压降下离子和电子不同的运动机制。在上述模型基础上,对弧柱模型进一步改进,等离子体全域考虑化学非平衡;使用Stefan-Maxwell方程得到等离子体组分的扩散通量和广义欧姆定律下的电流密度,以适用于任意电离程度的电弧等离子体;进一步推导了相关鞘层的边界条件;最后形成了完整的阴极-弧柱-阳极全域耦合的物理模型。2)以磁旋转电弧等离子体发生器为研究对象,实验研究了磁旋转电弧等离子体发生器的阴极弧根附着行为:通过控制磁场、电弧电流、气体流量以及阴极棒的长度和直径,得到了阴极弧根斑点的“点模式”和“扩散模式”;低磁场有利于点模式形成,随着外加磁场的增强,阴极弧根斑点逐步增大,进一步演变为扩散模式。采用二维耦合阴极模型对磁旋转电弧等离子体发生器的阴极弧根附着行为进行了分析研究,与实验在趋势上符合得很好。对数值模拟结果分析表明:阴极表面的能量通量随着磁场的增加而增加是造成阴极弧根从点模式向扩散模式转变的主要因素。为了更充分地理解电弧弧柱-近阴极层-阴极之间的相互作用,我们在20～200A电流范围内,对自由燃烧氩气电弧的耦合模型和解耦模型进行了比较研究。与解耦模型和修正前的耦合模型相比:修正后的耦合模型计算的弧柱向近阴极层传递的能量（热传导）总是正的,这一能量随着电弧电流的增加而增加。与解耦模型相比,由于电弧向近阴极层的正向能量输运,导致耦合模型计算的近阴极层电压降更低,预测的阴极弧根更为扩散,电弧压降与实验测量更接近。3)使用化学非平衡的耦合阳极鞘层模型计算了大气压自由燃烧氩弧（阴极尖端和阳极表面之间的距离为5mm,总电流为50,150A）,结果表明:（1）预测了“正压降阳极鞘层模式”和“负压降阳极鞘层模式”两种模式,近阳极层电势分布与实验吻合;（2）在负压降阳极鞘层模式下,近阳极层欧姆电流密度可以与扩散电流密度相反;而在正压降阳极鞘层模式下,近阳极层的扩散电流密度与总电流密度方向相反;（3）阳极鞘层压降与扩散电流之间存在明显的正反馈作用,扩散电流越小,阳极正压降越大;反之扩散电流越大,阳极负压降越大,从而导致出现阳极鞘层模式的正压降和负压降的两种稳定的状态;（4）正阳极鞘层模式下电子能量输运占主导地位;而在负阳极鞘模式下来自弧柱的热传导对阳极加热起主要作用。（5）阳极鞘层模式受流动影响显著,高流速更容易产生扩散模式。4)使用阴极-阴极鞘层-弧柱-阳极鞘层-阳极全域耦合的数值模型对电弧全区域进行研究（阴极尖端和阳极表面之间的距离为10mm,总电流为150A）。模拟结果表明:（1）在近电极区域等离子体处于明显的化学（电离）非平衡状态;（2）在近阴极区,由于电场作用,离子向阴极表面的非平衡快速加剧,因此近阴极区电子密度会迅速下降。实际电子密度低于saha平衡密度超过一个数量级,导致由于电场梯度和密度梯度使离子向阴极的输运通量升高。在阳极附近,实际电子密度高于saha平衡密度,但是由于电子温度的降低,导致离子在近阳极区域发生净复合,因此等离子体密度也会下降。（3）近阴极区域电场在阴极前0.lmm内从104 V/m快速上升到鞘层附近的106 V/m,阳极附近电场相比阴极要小一个量级。（4）在阴极尖端,等离子体反向扩散电流密度（jbd）要超过离子电流密度（ji）,电流平衡主要靠反向扩散的电子电流来达到;而在离阴极尖端1mm之后,电流平衡主要靠离子电流来维持。在阳极一侧,来自准中性等离子体中的电子电流要比离子电流大两个量级,阳极电流主要靠电子电流来维持。5)采用了三维双温度电弧模型来预测六阴极等离子体炬内部的温度场、流场以及电磁场分布,并对等离子体炬内部高温扩散电弧的形成机理进行分析,同时与实验结果进行对比。对六阴极总电流为240A、氦气总进气流量为1 Nm3/h的数值模拟部分结果:（1）六个阴极射流在中心区域汇聚形成一个稳定、均匀的高温扩散电弧,这一现象与实验观测到的电弧图像符合得很好;（2）对扩散电弧高温区域的均匀性进行了分析,当其中一个阴极电流减小达50%时,扩散电弧高温区域仍然能保保持较好的对称均匀。表明了六阴极扩散电弧装置具有较好的运行稳定性。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 孙强

导师: 夏维东

关键词: 电弧等离子体,化学非平衡,热力学非平衡,近阴极层,近阳极层,耦合阴极,耦合阳极,全域数值模拟,六阴极

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 中国科学技术大学

基金: 国家自然科学基金(NSFC批准号:11475174,11705202,11675177,11875256),安徽省科技攻关计划(批准号:1604a0902145)

分类号: O53

总页数: 141

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