氩气感应耦合等离子体速度与温度数值模拟
发布时间：2021-04-10 05:46
为了获得用于研究再入飞行器热防护系统的感应耦合等离子体风洞流场数据,基于流场、电磁场和化学场的多场耦合建立了非平衡态感应耦合等离子体数值模型。利用该模型对不同入口质量流率和不同工作压力下的感应耦合等离子体进行了数值模拟,得到了相应工作参数下感应耦合等离子体温度与速度的分布特性。计算结果表明:等离子体中心线上的速度随着入口质量流率的增大而增大,而随着工作压力的增大而减小;同时,等离子体中心线上的温度随着入口质量流率的增大而减小,而随着压力的增大先减小后增大。这些结果可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。
【文章来源】：核聚变与等离子体物理. 2020,40(01)北大核心CSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
感应耦合等离子体炬示意图
在以下的数值模拟中，以氩气为工作气体，分析不同工作参数对氩气感应耦合等离子体流场的影响。在数值计算中，采用有限元法对控制方程和电磁场方程进行离散化，等离子体模型网格划分如图2所示，网格元素的总数为34866，在线圈区域周围使用细网格以精确地计算电磁场分布。3 结果与讨论
在放电频率f=4.0MHz、质量流率为0.65g?s-1、线圈功率P=10kW、气压pch=4000Pa条件下，模拟得到的感应耦合等离子体的速度与温度分布云图如图3所示。由图3a可以看出，感应耦合等离子体的最大速度分布在线圈下游的轴线上，最大速度为66.9m?s-1，在入口处，等离子体气流速度较低。由图3b可知，在进气口到轴向位置50mm处，气体温度很低，等离子体在此区域尚未形成；然而从第一个线圈位置开始，气体温度迅速升高，并且最高温度出现在等离子体炬第二个线圈的中心位置处，最高温度为7610K。此外，经分析现有的10kW氮气和空气感应耦合等离子体实验[16]结果发现，实验中，感应耦合等离子体在感应线圈区域中心线附近的温度和速度值比壁面处的值更高[17]。由于等离子体炬管壁上通常注有循环冷却水以降低管壁温度，壁面附近气流温度越低，冷却水所带走的热量就越少，风洞热效率就越高，这也是实验研究所期待的。因此，以上关于ICP的速度与温度模拟结果与实验结果趋于一致，说明本文模拟结果是合理的。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于COMSOL的感应耦合等离子体炬多物理场研究[J]. 贾瑞宝,罗天勇,陈伦江. 核聚变与等离子体物理. 2018(04)
[2]高频感应热等离子体中粉末颗粒的运动行为研究[J]. 陈文波,陈伦江,刘川东,程昌明,童洪辉,朱海龙. 核聚变与等离子体物理. 2018(02)
[3]感应耦合等离子体制备球形铬粉末的工艺研究[J]. 陈伦江,陈文波,刘川东,程昌明,童洪辉. 核聚变与等离子体物理. 2017(02)
[4]Thermochemical Nonequilibrium 2D Modeling of Nitrogen Inductively Coupled Plasma Flow[J]. YU Minghao,Yusuke TAKAHASHI,Hisashi KIHARA,Ken-ichi ABE,Kazuhiko YAMADA,Takashi ABE,Satoshi MIYATANI. Plasma Science and Technology. 2015(09)
[5]感应耦合氩气热等离子体速度分布的数值分析[J]. 朱海龙,童洪辉,杨发展,叶高英,程昌明,陈伦江. 核聚变与等离子体物理. 2013(02)
[6]高频感应等离子体风洞的光谱诊断[J]. 张秀杰,林烈,吴彬. 空气动力学学报. 2001(01)
本文编号：3129077
【文章来源】：核聚变与等离子体物理. 2020,40(01)北大核心CSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
感应耦合等离子体炬示意图
在以下的数值模拟中，以氩气为工作气体，分析不同工作参数对氩气感应耦合等离子体流场的影响。在数值计算中，采用有限元法对控制方程和电磁场方程进行离散化，等离子体模型网格划分如图2所示，网格元素的总数为34866，在线圈区域周围使用细网格以精确地计算电磁场分布。3 结果与讨论
在放电频率f=4.0MHz、质量流率为0.65g?s-1、线圈功率P=10kW、气压pch=4000Pa条件下，模拟得到的感应耦合等离子体的速度与温度分布云图如图3所示。由图3a可以看出，感应耦合等离子体的最大速度分布在线圈下游的轴线上，最大速度为66.9m?s-1，在入口处，等离子体气流速度较低。由图3b可知，在进气口到轴向位置50mm处，气体温度很低，等离子体在此区域尚未形成；然而从第一个线圈位置开始，气体温度迅速升高，并且最高温度出现在等离子体炬第二个线圈的中心位置处，最高温度为7610K。此外，经分析现有的10kW氮气和空气感应耦合等离子体实验[16]结果发现，实验中，感应耦合等离子体在感应线圈区域中心线附近的温度和速度值比壁面处的值更高[17]。由于等离子体炬管壁上通常注有循环冷却水以降低管壁温度，壁面附近气流温度越低，冷却水所带走的热量就越少，风洞热效率就越高，这也是实验研究所期待的。因此，以上关于ICP的速度与温度模拟结果与实验结果趋于一致，说明本文模拟结果是合理的。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于COMSOL的感应耦合等离子体炬多物理场研究[J]. 贾瑞宝,罗天勇,陈伦江. 核聚变与等离子体物理. 2018(04)
[2]高频感应热等离子体中粉末颗粒的运动行为研究[J]. 陈文波,陈伦江,刘川东,程昌明,童洪辉,朱海龙. 核聚变与等离子体物理. 2018(02)
[3]感应耦合等离子体制备球形铬粉末的工艺研究[J]. 陈伦江,陈文波,刘川东,程昌明,童洪辉. 核聚变与等离子体物理. 2017(02)
[4]Thermochemical Nonequilibrium 2D Modeling of Nitrogen Inductively Coupled Plasma Flow[J]. YU Minghao,Yusuke TAKAHASHI,Hisashi KIHARA,Ken-ichi ABE,Kazuhiko YAMADA,Takashi ABE,Satoshi MIYATANI. Plasma Science and Technology. 2015(09)
[5]感应耦合氩气热等离子体速度分布的数值分析[J]. 朱海龙,童洪辉,杨发展,叶高英,程昌明,陈伦江. 核聚变与等离子体物理. 2013(02)
[6]高频感应等离子体风洞的光谱诊断[J]. 张秀杰,林烈,吴彬. 空气动力学学报. 2001(01)
本文编号：3129077
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