级联电弧等离子体源特性研究
发布时间：2021-01-01 01:18
再入航天器和高速空天飞行器面临的通信黑障问题是空天科学技术的前沿课题之一,为了认识和解决该问题,通过构建地面模拟实验装置,对其进行实验研究已成为一种重要的研究手段。通信黑障问题地面模拟实验研究的关键技术之一是产生与实际环境可比拟的密度高、电子温度低、碰撞强、热焓值高的亚波长特征参数等离子体鞘套,哈尔滨工业大学“临近空间等离子体环境模拟与研究系统”使用级联电弧等离子体源实现这一目标。为了更加精确地模拟真实的亚波长等离子体,进而在实验室研究黑障问题的物理过程及其缓解措施,本文将依托实验平台对级联电弧等离子体源的工作特性进行系统研究,主要内容分为以下几个方面:针对等离子体源产生的等离子体束流与下游钝体的相互作用,建立描述非平衡态等离子体输运过程的数学物理模型,在计算流体力学软件Fluent中进行模拟,采用正交试验法研究等离子体源喷口处等离子体的状态及环境因素对钝体包覆特性的关系和影响规律,明确影响等离子体对钝体包覆特性的关键参量,为临近空间等离子体参数的定向调控提供依据。针对实验所需测量的等离子体关键参数,构建包括光谱、朗缪尔探针和图像采集等多种方式的诊断系统。为了实现光谱的空间分辨诊断,基...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
等离子体不同分类方式[20]
电通道变化为三阴极三放电通道，更为重要的是，级联电弧等离子体源除了具有常规的阳极和阴极外，其主要特点在于增加了中段的“中性极”——具有层叠结构、彼此绝缘特征的级联板，从而产生稳定的高束流密度等离子体，通过这样的技术方式，其产生的等离子体具有高密度、强碰撞、大尺度、亚波长特性。因此被应用于临近空间环境地面模拟装置中。下面对临近空间环境地面模拟装置中级联电弧等离子体源的结构和特性进行简单介绍，该电弧源结构方面由多个柱状阴极、多个彼此绝缘、依次叠置的铜板（简称级联板）和环状阳极构成，如下图1-3所示，阴极、级联板和阳极都由冷却水进行冷却，多阴极分别连接至多个独立的电源，阳极共同接地。通过在阴极、阳极之间施加先高频后直流形式的电压，使得工作气体被直流电弧加热、电离、膨胀，在电场和高压流场的作用下，形成的高稳定的等离子体束流从阳极喷口处喷出。目前此套电弧源形成的等离子体射流长度可超过1.5m，直径大于10cm，电子密度处于1018~1021m-3之间。（a）实物图（b）结构拆分示意图图1-3三通道级联电弧等离子体源示意图
送猓?捎诩读?缁≡丛谝欢ㄌ跫?驴刹??吣芰棵芏鹊牡?离子体束流，已经应用在等离子体与材料的相互作用领域。值得一提的是，荷兰基础能源研究院线性等离子体发生器Magnum-PSI上的三通道级联电弧等离子体源[23]，它被用来模拟国际热核聚变反应堆条件下的高热负荷等离子体，进而通过研究该等离子体与材料的相互作用，寻找合适的核聚变装置器壁材料。由前所述，级联电弧等离子体源具有显著的优势和应用价值，下面将从从源结构的角度（单通道和多通道两个阶段）介绍它的发展过程和研究现状。1.2.1单通道级联电弧等离子体源图1-4三阴极单通道级联电弧等离子体发生器结构示意图[24]在20世纪80年代后期，埃因霍温科技大学开始开发级联电弧等离子体源[24]，其开发的三阴极单通道级联电弧等离子体源的结构如图1-4所示，该源在初次使用氢气放电时获得了较为理想的结果[25,26]。在早期的研究中，级联电弧源使用一个进气通道注入氩气和氢气的混合气体，然而，在氩气中加入少量氢气会使喷嘴处的等离子体熄灭，导致电子密度和电子温度显著下降，并且纯氢气的通入会导致电极尖端快速磨损。针对这个问题，2003年B.deGroot和Z.Ahmad等人对级联电弧源的进气方式进行了改进[23]，他们将进气孔径从4mm减小到2mm，在级联电弧源运行的第一阶段，让氩气以高压但小流量（0.2slm）注入；在第二阶段注入氢气（3slm），具体方式如图1-5所示。经过他们的改进，在轴向磁场强度为1.2T的情况下，级联电弧源可产生电子温度1eV、离子通量7×1022m-2s-1的等离子体，并且
【参考文献】：
期刊论文
[1]临近空间高超声速飞行器黑障问题研究综述[J]. 龚旻,谭杰,李大伟,马召,田冠锁,王暕来,孟令涛. 宇航学报. 2018(10)
[2]基于不同脉冲电源的超声速气流电离实验研究[J]. 李益文,庄重,张百灵,丁志文,段朋振,吴俊锋. 高电压技术. 2018(06)
[3]亚大气压六相交流电弧放电等离子体射流特性数值模拟[J]. 郭恒,张晓宁,聂秋月,李和平,曾实,李志辉. 物理学报. 2018(05)
[4]亚大气压六相交流电弧等离子体射流特性研究:实验测量[J]. 郭恒,苏运波,李和平,曾实,聂秋月,李占贤,李志辉. 物理学报. 2018(04)
[5]S—Ka频段电磁波在等离子体中传输特性的实验研究[J]. 马昊军,王国林,罗杰,刘丽萍,潘德贤,张军,邢英丽,唐飞. 物理学报. 2018(02)
[6]三阴极级联弧源下氦等离子体的特性研究[J]. 张志艳,曹小岗,韩磊,马小春,芶富均,韦建军. 真空科学与技术学报. 2017(11)
[7]超声速气流电容耦合射频放电特性[J]. 李益文,王宇天,张百灵,庄重,何国强,张茗柯. 高电压技术. 2017(09)
[8]高超声速升力体飞行器等离子体鞘数值模拟[J]. 吉君君,田正雨,柴金磊,李桦. 宇航学报. 2016(11)
[9]惰性气体原子间相互作用势比较研究[J]. 孙素蓉,王海兴. 物理学报. 2015(14)
[10]直线等离子体装置中氩等离子体热负荷特性研究[J]. 欧巍,曹小岗,薛晓艳,张卫卫,王建强,杨党校,陈顺礼,黎颖,苟富均. 真空科学与技术学报. 2015(05)
硕士论文
[1]螺杆马达流固耦合动态仿真及正交数值试验研究[D]. 单永平.华中科技大学 2019
[2]基于LabVIEW的朗缪尔探针等离子体诊断系统研究[D]. 吴金生.上海交通大学 2012
本文编号：2950668
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
等离子体不同分类方式[20]
电通道变化为三阴极三放电通道，更为重要的是，级联电弧等离子体源除了具有常规的阳极和阴极外，其主要特点在于增加了中段的“中性极”——具有层叠结构、彼此绝缘特征的级联板，从而产生稳定的高束流密度等离子体，通过这样的技术方式，其产生的等离子体具有高密度、强碰撞、大尺度、亚波长特性。因此被应用于临近空间环境地面模拟装置中。下面对临近空间环境地面模拟装置中级联电弧等离子体源的结构和特性进行简单介绍，该电弧源结构方面由多个柱状阴极、多个彼此绝缘、依次叠置的铜板（简称级联板）和环状阳极构成，如下图1-3所示，阴极、级联板和阳极都由冷却水进行冷却，多阴极分别连接至多个独立的电源，阳极共同接地。通过在阴极、阳极之间施加先高频后直流形式的电压，使得工作气体被直流电弧加热、电离、膨胀，在电场和高压流场的作用下，形成的高稳定的等离子体束流从阳极喷口处喷出。目前此套电弧源形成的等离子体射流长度可超过1.5m，直径大于10cm，电子密度处于1018~1021m-3之间。（a）实物图（b）结构拆分示意图图1-3三通道级联电弧等离子体源示意图
送猓?捎诩读?缁≡丛谝欢ㄌ跫?驴刹??吣芰棵芏鹊牡?离子体束流，已经应用在等离子体与材料的相互作用领域。值得一提的是，荷兰基础能源研究院线性等离子体发生器Magnum-PSI上的三通道级联电弧等离子体源[23]，它被用来模拟国际热核聚变反应堆条件下的高热负荷等离子体，进而通过研究该等离子体与材料的相互作用，寻找合适的核聚变装置器壁材料。由前所述，级联电弧等离子体源具有显著的优势和应用价值，下面将从从源结构的角度（单通道和多通道两个阶段）介绍它的发展过程和研究现状。1.2.1单通道级联电弧等离子体源图1-4三阴极单通道级联电弧等离子体发生器结构示意图[24]在20世纪80年代后期，埃因霍温科技大学开始开发级联电弧等离子体源[24]，其开发的三阴极单通道级联电弧等离子体源的结构如图1-4所示，该源在初次使用氢气放电时获得了较为理想的结果[25,26]。在早期的研究中，级联电弧源使用一个进气通道注入氩气和氢气的混合气体，然而，在氩气中加入少量氢气会使喷嘴处的等离子体熄灭，导致电子密度和电子温度显著下降，并且纯氢气的通入会导致电极尖端快速磨损。针对这个问题，2003年B.deGroot和Z.Ahmad等人对级联电弧源的进气方式进行了改进[23]，他们将进气孔径从4mm减小到2mm，在级联电弧源运行的第一阶段，让氩气以高压但小流量（0.2slm）注入；在第二阶段注入氢气（3slm），具体方式如图1-5所示。经过他们的改进，在轴向磁场强度为1.2T的情况下，级联电弧源可产生电子温度1eV、离子通量7×1022m-2s-1的等离子体，并且
【参考文献】：
期刊论文
[1]临近空间高超声速飞行器黑障问题研究综述[J]. 龚旻,谭杰,李大伟,马召,田冠锁,王暕来,孟令涛. 宇航学报. 2018(10)
[2]基于不同脉冲电源的超声速气流电离实验研究[J]. 李益文,庄重,张百灵,丁志文,段朋振,吴俊锋. 高电压技术. 2018(06)
[3]亚大气压六相交流电弧放电等离子体射流特性数值模拟[J]. 郭恒,张晓宁,聂秋月,李和平,曾实,李志辉. 物理学报. 2018(05)
[4]亚大气压六相交流电弧等离子体射流特性研究:实验测量[J]. 郭恒,苏运波,李和平,曾实,聂秋月,李占贤,李志辉. 物理学报. 2018(04)
[5]S—Ka频段电磁波在等离子体中传输特性的实验研究[J]. 马昊军,王国林,罗杰,刘丽萍,潘德贤,张军,邢英丽,唐飞. 物理学报. 2018(02)
[6]三阴极级联弧源下氦等离子体的特性研究[J]. 张志艳,曹小岗,韩磊,马小春,芶富均,韦建军. 真空科学与技术学报. 2017(11)
[7]超声速气流电容耦合射频放电特性[J]. 李益文,王宇天,张百灵,庄重,何国强,张茗柯. 高电压技术. 2017(09)
[8]高超声速升力体飞行器等离子体鞘数值模拟[J]. 吉君君,田正雨,柴金磊,李桦. 宇航学报. 2016(11)
[9]惰性气体原子间相互作用势比较研究[J]. 孙素蓉,王海兴. 物理学报. 2015(14)
[10]直线等离子体装置中氩等离子体热负荷特性研究[J]. 欧巍,曹小岗,薛晓艳,张卫卫,王建强,杨党校,陈顺礼,黎颖,苟富均. 真空科学与技术学报. 2015(05)
硕士论文
[1]螺杆马达流固耦合动态仿真及正交数值试验研究[D]. 单永平.华中科技大学 2019
[2]基于LabVIEW的朗缪尔探针等离子体诊断系统研究[D]. 吴金生.上海交通大学 2012
本文编号：2950668
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