电弧等离子体全域数值模拟

发布时间：2024-02-04 03:57

　　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,...

【文章页数】：141 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

图１．１两种典型的电弧等离子体发生器，（ａ）转移型；（ｂ）肖瞒移型

物理过程有一个清晰的认识。??１．２电弧放电中的物理过程??如图１．２所示，电弧等离子体放电区域主要由近电极区（近阴极和近阳极）??和弧柱区组成［２Ｗ４］。弧柱区域是电弧的主体，在大电流或高强度电弧的弧柱中心??区域，等离子体经常处于局域热力学平衡（ＬＴＥ）状态。近电极区域是电极....

图１．３近阴极层物理结构示意图｜ｌｔＭ｜??

根据这一顺序，近阴极层可以被分为很多个子区域，每个子区域都由一个特??定的尺度及其相关的主导物理过程来定义。阴极表面第一个子层的厚度为德拜长??度的量级，且位于图１．３中０＜ｘ＜ｌＤ的区域。此区域内局部电荷的准中性是??不成立的，第一个子层称为空间电荷层或者鞘层。对于大气压电弧来....

图１．４典型的近阳极区模型??

近阳极区的结构和近阴极区比较相似，都含有鞘层、预鞘层。近阳极区的物??理模型研宄始于上世纪七八十年代，至今已较为完备。典型理论模型ｌ３７，４Ｑ］将近阳??极区分为阳极鞘层、电离层、热扰动层三个区域（如图１．４所示，注意克努森层??在阳极也是存在的，这里不做特别说明），其中：．??....

图１．５?（左）自由燃烧弧计算域；（右）数值模拟与实验结果对比１４４１??

自２０世纪八十年代以来，电弧热等离子体的数值模拟得到了快速的发展。??Ｈｓ＃３，４＾等人在１９８３年首先利用磁流体力学（ＭＨＤ．）方程组，对氩气自由燃烧??弧的弧柱进行了二维数值求解，计算结果与实验测量的结果相当吻合（见图１．５），??验证了物理模型、物性参数的合理性。＇??一?....

本文编号：3895172