感应耦合等离子体风洞高频放电数值模拟研究

发布时间：2020-05-09 05:18

【摘要】：为了研究再入飞行器热防护材料、开展飞行器气动性能测试实验,近年来,世界各国纷纷建立了不同类型、不同级别的等离子体风洞实验设备,如电弧加热风洞、激波风洞、感应耦合等离子体风洞(也称为高频感应等离子体风洞或射频等离子体风洞)。由于感应耦合等离子体具有无电极污染,温度均匀,弧区大,能提供纯净热源,工质不受限制等特点,它在航空航天、冶金、化工等工业领域中有着巨大的应用前景。基于感应耦合等离子体源有着非常重要的应用前景,非常有必要对感应耦合等离子体放电特性进行详细的研究。本文主要研究10千瓦氩气感应耦合等离子体风洞在典型工况气压p=4000 Pa条件下不同放电状态对感应耦合等离子体放电特性的影响,同时分析了不同工作参数(放电频率、工作压力、线圈功率和质量流率)下非平衡感应耦合等离子体的放电特性,为感应耦合等离子体风洞优化设计及其工业应用提供理论指导和基础理论数据。本文针对柱状感应耦合等离子体的放电过程建立了二维轴对称几何模型,在数值模型过程中,我们使用流体力学模型分别建立了平衡态和非平衡态感应耦合等离子体数值模型,获得不同放电状态下的数值模拟结果,然后将数值模拟结果与实验结果进行对比分析,可以看出,使用非平衡模型得到的感应耦合等离子体的流场结果与实验结果更加一致,从理论上讲也更加合理。接下来我们分析了不同工作参数对非平衡态感应耦合等离子体放电的影响。计算结果表明:等离子体炬内最大电子数密度随着工作压力和线圈功率的增大而增大,随着放电频率和入口质量流率的增大而减小;最大电子温度随着线圈功率的增大而增大,随着放电频率、工作压力和入口质量流率的增大而减小;等离子体炬内最大气体速度随着线圈功率和入口质量流率的增大而增大,随着放电频率和工作压力的增大而减小;同时可以发现,等离子体炬内最大平均温度随着工作压力和线圈功率的增大而增大,随着放电频率和入口质量流率的增大而减小。
【图文】：

感应耦合等离子体风洞系统结构布局图

感应耦合等离子体发生器[20]
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM724

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本文编号：2655649