等离子射流在大气中扩展特性的研究

发布时间：2020-02-23 15:04

【摘要】：本文以电热化学发射为工程背景,从实验和数值模拟两个方面对脉冲等离子射流在大气中的扩展特性进行研究。主要研究内容及成果如下:(1)脉冲等离子射流在大气中扩展特性的实验研究设计脉冲等离子射流在大气中扩展的实验模拟平台,采用压电式压力传感器测量聚乙烯毛细管中的压力变化特性,用数字高速录像系统记录等离子射流在大气中的演化过程,同时研究了放电电压及喷射破膜压力对等离子射流扩展特性的影响。结果表明:等离子射流扩展时,射流由初期的类圆锥体逐渐扩展分成类圆锥体的射流头部和类柱体的射流尾部,扩展体积随时间呈单峰分布,射流主体逐渐破碎并发生断裂,亮度由强变弱。放电电压或喷射破膜压力增大时,射流主体破碎加剧,扩展位移增大,且最大扩展体积显著增大。(2)等离子射流在大气中扩展特性的数值模拟在实验的基础上,建立了等离子射流扩展的二维非稳态数理模型,运用FLUENT软件对瞬态条件下等离子射流在大气中的扩展过程进行了数值模拟,获得了等离子体与空气两相界面的演化特性及流场中密度、压力、速度和温度的时空分布特性。结果表明:等离子射流在大气中扩展时,喷嘴附近流场中出现马赫盘,其下游温度高而速度低,并伴有射流分叉现象,随着射流的扩展,分叉部分逐渐向中心合并。喷嘴近场处流场密度、压力、速度和温度变化较大,远场处的变化较小,各参数沿轴向具有脉动性。射流轴向位移的模拟值与实测值较为吻合。(3)特征参数变化对等离子射流扩展特性的影响为了分析特征参数变化对等离子射流扩展特性的影响,运用FLUENT软件在1.5～3.5MPa喷射压力范围及3～5mm喷嘴直径范围内,对等离子射流在空气中的扩展过程进行了数值模拟,获得了不同工况下等离子射流扩展过程中两相界面的演化特性及流场各参数的变化规律。结果表明:喷射压力和喷嘴直径增大时,等离子射流的轴向和径向扩展位移、射流分叉部分的尺寸及扩展体积均随之增大,但增幅减小。总体上射流的密度、压力、速度和温度也随之增大。流场中马赫盘的大小随喷射压力和喷嘴直径的减小而不断缩小,当喷射压力或喷嘴直径减小到某一临界值时,流场中将不存在马赫盘。(4)双股等离子射流在大气中扩展及聚并特性研究建立了双股等离子射流扩展的三维非稳态数理模型,并运用FLUENT软件进行了数值模拟,获得了两股射流聚并及分离过程的演化规律及双股射流场中压力、速度和温度的时空分布特性。同时对比分析了 2.5MPa和3.0MPa两种喷射压力及18mm和22mm两种喷孔间距下,双股射流在大气中的扩展特性。结果表明:双股等离子射流在大气中扩展时,两股射流向内侧弯曲,从喷嘴喷出后约1ms内,射流头部逐渐发生汇聚,随后又逐渐分离。双股射流的压力、速度和温度初期分布与单股射流相似,但扩展后期,压力波的高低压相间现象消失。喷射压力较大时,两股射流头部汇聚的时间较早,持续时间更长,湍流效应更强,射流整体的压力、速度和温度也较大,且沿径向的分布也更加向中心集中。喷孔间距变化对双股等离子射流扩展特性的影响与喷射压力则大致相反。
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O53;O358

【相似文献】