直流电弧等离子体发生器的数值模拟
电弧放电等离子体对超声速边界层影响的数值模拟
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔ ｅ ｅ ｆｃ ｆａ ｃ ｄ ｓ ｈ ｒ ｅ ｐ ａ ｍａｏ ｉｈ ｓ ｅ ｄ ｆ ｗ ｃ ｎ ｒ ｌｂ ｓ ｄ ｏ ｈ ｏ ｎ ｎ ｈ ｒ ｌｍｅ ｈ ｎ ｓ ｉ ｓｒ ｃ ： ｈ ｆ ｔ ｒ ｉｃ ａ ｇ ｌ ｓ ｎ ｈ ｇ — ｐ ｅ ｏ ｏ ｔ ａ ｅ ｎ ｔ ｅ ｄ ｍｉ ａ ｔｔ ｅｍａ ｅ ｏ ｌ ｏ ｃａ ｉ ｍ ｓ ｎ ｍｅ ｉａｌ ｎ ｅ ｔ ａｅ ，ｔ ｅ ｅｆｃ ｆａ ｃ ｄ ｓ ｈ ｒ ｅ ｐ ａ ｍａ ｆ ｗ ｏ ｔｏ ｎ ｔａ ｓ ｏ ｉ ｏ ｎ ａ ｙ ｌｙ ｒｉ ｔ ｄ ｅ ｎ ｆｅ ｔ ｕ ｒｃ ｌ ｉ ｖ ｓ ｇ ｔ ｄ ｈ ｆ ｔｏ ｒ ｉ ａｇ ｌｓ ｏ ｃ ｎ ｒｌｏ ｒ ｎ ｓ ｎｃ ｂ ｕ ｄ ｒ ａ ｅ ｓｓｕ ｉｄ ａ ｄ ｅｆｃ ｓ ｙ ｉ ｅ ｃ ｌ ｏ ｉ ｅ ｅ ｔ ｅ ｍｅ ｒ ａ ｏ ｆ ｕ ａｉ ｎ ｎ ｉ ｅ ｅ ｔ ｌ ｓ ｅ ｅ ａｕ ｅ ｉ ａ Ｃ ｄ ｓ ｈ ｒ ｅｐ ａ ｍａｆ ｗ ｃ ｎｒ ｌ ｅ ａ ａｙ ｅ ｆｄ ｆ ｒ ｎ ｏ ｔ ｃ ｌｃ ｎ ｇ ｒ ｔ ｓａ ｄ ｄ ｆ ｒ ｎ ａ ｍａｔ ｍｐ ｒ ｔ ｒ ｓＯ ｉｃ ａ ｇ ｌｓ ｏ ｏ ｔ ｎ ｌ ｚ ｄ ｉ ｆ ｇ ｉ ｉ ｏ ｆ ｐ ｌ ｒ ｌ ｏａ ｒ ｎ ｄ ｔｉ ｄ ｅａ ｌ ．Ｔ ｅ ｒ ｓ ｌ ｈ ｗ ｔａ ｏ ｎ ａ ｙ ｌｙ ｒｓ ｐ ｒ ｔ ｎ ａ ｄ ｔ ｅｖ ｒｅ ｏ ｌ ｏ ｃ ｒｉ ｈ ｅ ｅ ｉｎ ｕ ｎ ｏ ｈ ｅ ｈ ｅ ｕ ｔ ｓ ｏ ｈ ｔｂ ｕ ｄ ｒ ａ ｅ ｅ ａ ａ ｉ ｎ ｏ ｔｘ ｆ ｗ ｗｉ ｃ ｕ ｔｅ ｎ ａ ｒ ｇｏ ｐ ａ ｄ ｄ ｗｎ ｔ ｅ ｓ ｏ ｈ ｌ ｌ ｎ ｒ ｐａ ｍａ ｌｓ ．Ｔ ｅ ｅ ａ ｅ ｔ ｉ ｄ ｆ ｏ ｎ ａｙ ｌｙ ｒｃ ｕ ｅ ｙ ｐ ａ ｍａ； ｈ ｒｔｋｎ ｆ ｏ ｎ ａ ｙ ｒｉ ｃ ｕ ｅ ｙ ｔｍｐ ｒ ｔ ｒ ｈ ｒ ｗｏ ｋｎ ｓ ｏ ｕ ｄ ｒ ｅ ａ ｓ ｄ ｂ ｌ ｓ ｒ ｂ ａ ｔ ｅ ｆ ｓ ｉ ｄ ｏ ｕ ｄ ｒ ｌ ｅ ａ ｓ ｄ ｂ ｉ ｂ ｙ ａ ｓ ｅ ｅａ ｕ ｅ ｇａ ｉｎ ｎ ｈ ｅ ｏ ｄ ｉ ｃ ｕ ｅ ｙ ｔ ｅ ｖ ｓ ｏ ｉ ｅｗｅ ｎ ｆｏ ｎ ｈ ｌ Ｔ ｅ ｖ ｒｅ ｏ ｉ ｃ ｕ ｅ ｙ ｔｅ ｐ ｅ ｓ ｒ ｒｄ ｅ ｔａ ｄ ｔ ｅ ｓ ｃ ｎ ｓ ａ ｓ ｄ ｂ ｈ ｉｃ ｓｔ ｂ ｔ ｅ ｗ ａ ｄ ｔ ｅ ｗａ１ ｈ ｏ ｘ ｆ ｗ ｓ ａ ｓ ｄ ｂ ｈ ｒ ｓ ｕ ｅ ｙ ｌ ． ｔ ｌ ｄｆ ｒ ｎ ｉｌｂ ｔ ｅ ｕ ｓｄ ｎ ｎ ｉ ｅ ｏ ｌｓ ｏ ｕ ｎ ｈ ｉ ｏ ｉ ｅ ｗ ｅ ｏ ｎ ｈ ｌ． Ｔ ｅＹ ｃ ｏｄ ｎ ｔ ｆ ｉ ｅ ｅ ｔ ｅｗｅ ｎ ｏ ｔｉ ｅ ａ ｄ ｉ ｓ ｆ ｐ ａ ｍａ ｌｃ ｓ ａ ｄ ｔ ｅ ｖｓ ｓｔ ｂ ｔ ｅ ｎ ｆ ｗ ａ ｄ ｔ ｅ ｗａ１ ｈ ｏ ｒ ｉａ ｅ ｏ ｆ ａ ｄ ｃ ｙ ｌ ｓ ｐ ｒ ｔ ｎ ｐ ｉ ｔ ｌ ｄ ｃ ｅ ｓ ｔ ｈ ｌ ｓ ｅ ｅ ａｕ ｅ ｅ ａａ ｉ ｏｎ ｌ ｅ ｒ ａ ｅ ｗｉ ｔ ｅ ｐ ａ ｍａ ｔｍｐ ｒ ｔ ｒ ，Ｔ ｅＹ ｃ ｏ ｄ ｎ ｔ ｆｓ ｐ ｒ ｔ ｎ ｐ ｉｔｉ ｈ ｅ ｅ ｉｎ ｕ ｈ ｏ ｗｉ ｈ ｈ ｏ ｒ ｉ ａｅ ｏ ｅ ａ ａｉ ｏｎ ｎ ｔ ｅ ｎ ａ ｒ ｇｏ ｐ ｔ ｅ ｏ ｒ ｐ ａ ｍａ ｗｉ ｎ ｒ ａ ｅ ｗ ｔ ｈ ｎ ｒ ａ ｅ ｏ ｏ ｅｏ ｉ ｕ ｔｗｉ ｅ ｒａ ｅ ｗ ｅ ｈ ｅｏ ｉ ｅ ｐ ｏ ｎ ｒ ａ ｅ Ｔ ｅＹ ｌ ｓ ｌ ｉ ｃｅ ｓ ｉ ｔｅ ｉ ｃｅ ｓ ｆ ｆ ｗ ｖ ｌ ｃｔ ｂ ｔ ｉ ｌ ｄ ｃ ｅ ｓ ｈ ｎ ｔ ｅ ｖ ｌｃｔ ｋ ｅ ｎ ｉ ｃ ｅ ｓ ． ｈ ｌ ｈ ｌ ｙ ｌ ｙ
直流电弧等离子体发生器的数值模拟65页PPT
2、要冒一次险!整个生命就是一场冒险。走得最远的人，常是愿意 去做，并愿意去冒险的人。“稳妥”之船，从未能从岸边走远。-戴尔．卡耐基。
梦 境
3、人生就像一杯没有加糖的咖啡，喝起来是苦涩的，回味起来却有 久久不会退去的余香。
直流电弧等离子体发生器的数值模拟 4、守业的最好办法就是不断的发展。 5、当爱不能完美，我宁愿选择无悔，不管来生多么美丽，我不愿失 去今生对你的记忆，我不求天长地久的美景，我只要生生世世的轮 回里有你。
6、最大的骄傲于最大的自卑都表示心灵的最软弱无力。——斯宾诺莎 7、自知之明是最难得的知识。——西班牙 8、勇气通往天堂，怯懦通往地狱。——塞内加 9、有时候读书是一种巧妙地避开思考的方法。——赫尔普斯 10、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。
磁场辅助电弧焊接旋转等离子体行为的数值模拟
第13卷 第6期 精 密 成 形 工 程收稿日期：2021-05-11基金项目：国家重点研发计划（2017YFB1103100）作者简介：母中彦（1992—），男，博士生，主要研究方向为激光-电弧复合焊接过程的数值模拟。
通讯作者：庞盛永（1982—），男，博士，教授，博士研究生导师，主要研究方向为材料成形模拟、材料激光加工、焊母中彦，胡仁志，庞盛永（华中科技大学 材料成形与模具技术国家重点实验室，武汉 430074）摘要：目的 研究外加纵向磁场对倾斜电极TIG 焊接的电弧温度分布、流动模式和工件所受热力作用的影响。
方法 建立磁场-电弧复合焊接热、电、磁、流动的三维数学模型。
通过数值模拟和高速摄像实验，揭示倾斜电极电弧在外加磁场作用下的流动、形貌及温度演化机制。
结果 外加纵向磁场后，电弧流动速度明显增加，流动模式由沿电极方向喷射变为近似沿竖直方向旋转向下的流动模式；电弧对工件的热作用均匀性提高，热作用中心向电极正下方靠近，但在焊接横向方向上存在偏离；工件受到表面的电弧旋转拖拽力和内部的旋转洛伦兹力作用，最大洛伦兹力可达50 000 N/m 3。
结论 基于所建立数学模型的模拟结果与实验电弧形貌吻合良好，结果表明，外加纵向磁场能够显著改变电弧的形态及流动模式，提高电弧热流密度的均匀性，并能够对熔池产生有效的搅拌作用。
关键词：复合焊接；电弧焊接；等离子体；磁场；数值模拟DOI ：10.3969/j.issn.1674-6457.2021.06.017中图分类号：TB24；V261 文献标识码：A 文章编号：1674-6457(2021)06-0123-07Numerical Simulation of Rotating Plasma Behavior in ArcWelding Assisted by Magnetic FieldMU Zhong-yan , HU Ren-zhi , P ANG Sheng-yong(State Key Laboratory of Materials Processing and Die & Mould Technology, HuazhongUniversity of Science and Technology, Wuhan 430074, China)ABSTRACT: The work aims to study the influence of an external magnetic field on arc temperature distribution, flow pattern and thermal action of workpiece in TIG welding with inclined electrode. A three-dimensional mathematical model of heat, elec-tricity, magnetism and flow in magnetic field-arc hybrid welding was established. Through numerical simulation and high-speed camera experiments, the flow, morphology and temperature evolution mechanism of arc of TIG welding with inclined electrode under external magnetic field were revealed. After the longitudinal magnetic field was applied, the arc flow speed increased and flow pattern changed from a spray mode along the electrode direction to a downward flow pattern which was approximately ro-tating in the vertical direction. The uniformity of the heat input of the arc to the workpiece was improved, and heat center ap-proached directly below the electrode, but deviated from the horizontal welding direction. The workpiece was subject to the arc rotating drag force on the surface and the internal rotating Lorentz force, and the maximum Lorentz force reached 50 000 N/m 3. The simulation results based on the established mathematical model are in good agreement with the morphology of the experi-mental arc. The results show that the external longitudinal magnetic field can significantly change the shape and flow pattern of the arc, improve the uniformity of the arc heat flux, and can effectively stir the molten pool. KEY WORDS: hybrid welding; arc welding; plasma; magnetic field; numerical simulation. All Rights Reserved.124精密成形工程 2021年11月现代装备对高服役性能的需求日益严苛，给现有电弧焊、激光焊为代表的焊接工艺带来了重大挑战。
直流辉光放电等离子体阴极鞘层的数值模拟
e e E De(ne ) i i E Di (ni )
其中， ， D 为漂移系数和扩散系数，其值如下[13]： 表格 1 漂移系数与扩散系数值
e p (m2/V s) Torr
De p (m2/V s) Torr
i p (m2/V s) Torr
Di p (m2/V s) Torr
[13] J. D. P. Passchier and W. J. Goedheer 1992 J. Appl. Phys. 73(3) 1073 [14] J. P. Boeuf, 1987 Phys. Rev. A 36, 2782
Numerical Simulation of DC Glow Discharge in Cathodal Sheath
Abstract: In this article the direct current glow discharge in the cathodal sheath region are simulated using the fluid model. The electron and ion density as well as electron temperature are shown by the numerical simulation results, which are in good agreement with the negative glow space observed in the experiment. Besides, the accumulation of positive ions in the cathodal sheath is reproduced by the simulation, which favors the theoretical analysis. Keyword: plasma, numerical simulation, fluid model, cathodal sheath
低压下直流电弧热等离子体射流电子密度的光谱法测量
低压下直流电弧热等离子体射流电子密度的光谱法测量孙成琪;高阳;杨德明;傅迎庆【摘要】采用原子发射光谱仪研究低压直流电弧热喷涂等离子体射流的特性.利用Stark展宽法采集Hβ谱线,使用其△λ1/2来计算等离子射流中的电子密度,研究了氢气流量、输入功率和探测距离对等离子体射流中电子密度的影响.使用Saha方程计算热等离子体的电离程度,研究了功率/氢气流量与等离子体电离程度的关系.结果表明:电子密度和电离程度随着电流强度的增大而增加;氢气流量增加可以明显提高等离子体射流的能量,但对电离程度影响不大.【期刊名称】《发光学报》【年(卷),期】2015(036)001【总页数】6页(P88-93)【关键词】热喷涂等离子体;发射光谱;电离程度;电子密度【作者】孙成琪;高阳;杨德明;傅迎庆【作者单位】大连海事大学交通运输装备与海洋工程学院,辽宁大连116026;广东海洋大学航海学院,广东湛江524088;大连海事大学交通运输装备与海洋工程学院,辽宁大连116026;大连海事大学交通运输装备与海洋工程学院,辽宁大连116026;大连海事大学交通运输装备与海洋工程学院,辽宁大连116026【正文语种】中文【中图分类】TG403近30年来，热等离子体喷涂技术得到了迅猛发展。
低压等离子体喷涂因为能够克服金属基涂层沉积过程中的氧化而备受关注［1］。
低压等离子喷涂的环境压力一般为2～10 kPa，环境的低压使从喷枪出口的高温等离子体射流区域得到延长，提高了等离子体射流的速度，但等离子射流密度变小，喷枪外部等离子体的加热能力会降低［2-3］。
尽管低压等离子喷涂的涂层已经在工业中得到了广泛的应用，但是低压下热等离子体射流的特性还有待进一步了解。
等离子体射流中温度、速度和电子数密度直接影响着喷入粉末的加热与加速，有关低压热喷涂等离子体射流温度和速度特性前人已经进行了一些研究，但是对电子数密度的研究还非常少，而电子数密度是确立热喷涂等离子体电离平衡与能量转移的一个非常重要的参数，热喷涂等离子体中原子的激发、电离和化学反应都与电子密度直接相关［4-5］。
直流电弧等离子体点火器射流特性研究
直流电弧等离子体点火器射流特性研究兰宇丹;何立明;杜宏亮;王峰;陈鑫【摘要】The spectrometer was adopted to measure the emission spectrum of Ar plasma jet at the ignitor exit. Boltzmann curve slope method was applied to calculate the jet electron temperature. Ionization equilibrium equation was used to calculate jet temperature and measure the laws that jet length, jet velocity, electron temperature and jet temperature of ignitor exit change with arc current and inlet Ar flow rate. Whether the electron temperature could be used to replace jet temperature in aircraft plasma arc jet was also discussed. The experiment results show that arc current reduces with the rising of inlet Ar flowrate; exit jet length and velocity increase with the rising of arc current, and increase at first and then reduce with the rising of inlet Ar flow rate; exit electron temperature, electron density and jet temperature increase with the rising of arc current and reduce with the rising of inlet Ar flow rate.%采用光谱仪测量了等离子体点火器出口射流的发射光谱,利用玻尔兹曼曲线斜率法计算了射流的电子温度,并通过电离平衡方程计算了射流气体温度,获得点火器出口射流长度、射流速度、电子温度和射流温度随弧电流及进口氩气流量的变化规律.并分析了航空等离子体电弧射流中是否可使用电子温度来代替射流气体温度.实验表明:弧电流随着进口氩气流量的增大而减小；出口射流长度和速度随弧电流的增大而增大,随进口氩气流量的增大先增大后减小；出口电子温度、电子密度和射流温度随弧电流的增大而升高,随氩气流量的增大而降低.【期刊名称】《原子能科学技术》【年(卷),期】2012(046)002【总页数】7页(P216-222)【关键词】电弧;等离子体;电子温度;电子密度;射流【作者】兰宇丹;何立明;杜宏亮;王峰;陈鑫【作者单位】空军工程大学工程学院,陕西西安710038;空军工程大学工程学院,陕西西安710038;空军工程大学工程学院,陕西西安710038;空军工程大学工程学院,陕西西安710038;空军工程大学工程学院,陕西西安710038【正文语种】中文【中图分类】O536等离子体点火是利用等离子体射流中的高温（高达5 000K）特性来点燃可燃混合气体。
电弧等离子体发生器中传热与流动的数值模拟
电弧等离子体发生器中传热与流动的数值模拟*黎林村，夏维东**（中国科学技术大学热科学与能源工程系，安徽合肥230027）摘要：本文利用CFD软件FLUENT，将等离子体发生器阳极归入计算域，对其内部的传热与流动进行了数值模拟。
计算结果表明，在本文中，将阳极边界简化为等温条件是合理的。
提高进气速度或减小电弧电流，都会使得阳极弧根向下游移动。
等离子体发生器出口处温度和速度符合抛物线型分布。
关键词：FLUENT，数值模拟，电弧等离子体发生器中图分类号：O461.2热等离子体射流作为一种具有强化学活性及高能量密度的能束流，在材料加工领域有着广泛的应用[1-4]。
因此，很多国内外学者对其进行了实验测量或数值模拟研究。
由于缺乏可靠的边界条件，大多数的数值模拟研究在等离子体射流入口处都采用了假设的温度与速度分布，极大的影响了整个模拟工作的准确性[2-4]。
模拟计算等离子体发生器内部的传热与流动，从而将其出口边界作为射流入口，无疑可以弥补这一缺陷[5,6]。
在文献[5,6]中，为简化计算，其计算未包括电极区域，而是将阳极边界直接简化成了等温条件。
而一般来说，把电极和电弧本身作为一个整体进行数值模拟将更能反映发生器中真实的传热与流动规律。
因此，这样简化的合理性还需要进一步检验。
FLUENT是基于有限容积方法的通用CFD软件。
近年来，国外学者通过输入变物性参数和电势方程，将FLUENT应用于电弧等离子体领域的数值模拟工作，取得了理想的结果[7-9]。
而目前，国内电弧等离子体领域对FLUENT的应用才刚刚开始[10]。
本文以FLUENT6.0为计算平台, 将等离子体发生器阳极区域归入计算域，对氩气等离子体发生器内部的传热与流动进行了数值模拟。
在求解能量方程时，考虑了电极与等离子体交界面处特殊的传热机理。
计算结果表明，在本文中将阳极边界简化成等温条件是合理的。
1 数学模型1.1 计算域和基本假设图1为本文所模拟的电弧等离子体发生器示意图，ab和bc为阴极壁面，cd 为工质气体进口，ef为等离子体发生器出口，de和gh分别为阳极内外壁面。
热等离子体裂解甲烷制乙炔过程的数值模拟
methane would prolong the arc and accelerate the switch of arc-anode-spot. When reaction kinetics was
thermodynamic equilibrium，LTE），电子温度与重
粒子温度近似相等。
（2） 等离子体呈电中性状态，为不可压缩流
体，作定常流动，给定点的热力学性质和流体力学
性质由温度和压力确定。
（3） 不考虑热等离子体中的辐射过程。
（4） 不考虑电极材料的相变过程以及气相中的
金属对等离子体电弧的影响，同时由于鞘层较薄，
制方程组见式(6)～式(8)。
质量守恒方程
div ( ρu) = 0
(6)
∂
σ) + j × B
( ρu) + div ( ρu ⊗ u) = div ( ∂t
(7)
动量方程
能量方程
( )
∂
λ
( ρh) + div ( ρuh) = div c -∇ h + j ⋅ E
∂t
p
进
1.3.2 宏观动力学模型
Engineering Progress, 2019, 38(8): 3572-3582.
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第8期
· 3573 ·
李天阳等：热等离子体裂解甲烷制乙炔过程的数值模拟
世界范围内天然气的主要产能集中地与主要消
等离子体弧流数值模拟的研究进展
１ ． １ ． １ 弧流 炉 内部 数值 模拟
等离子体 弧 流 炉 内部 温度 场 的分 布 如 图 ２
所示 。炉体简 化成封闭 的轴对 称模 Nhomakorabea ， 实际上 在
第 ｌ期
郭 云龙 等 ．等离 子体 弧流 数值模 拟 的研究 进 展
导 电流 体 传热 传 质之 间 的相互 作 用 ， 致 使等 离
子体弧 流 的各 个参 数 如温 度 、 压力、 速度、 电流
密度等 之 间 的相 互 作 用 关 系 十 分 复 杂 （ 如图 １
所示） ［ ， 所 以在 这种情 况 下进行 数值 分析模 拟
一
当弧 流 流过 喷 嘴 时 ， 弧流 柱 外 围气 体 温 度 急剧
３ ５
ｚ ｌ ｍｍ
图６ 自由弧 流 计 算 区域
图 ８ 双 温 度 数 值 模 拟 电弧 弧长 与 电压 关 系 图
状态。
量利 用 率 很 高 ， 原 因就 是 在其 内部 的等 离 子体
区域 有 非 常 明 显 的 非 平 衡 型 。 法 国 的 Ｆ ． Ｒ ｉ ｃ ｈ ａ ｒ ｄ对 滑 动 弧 流 的 物 理 特 性 进 行 了研 究 ，
缩 后 的弧 流 能 量 高度 集 中， 弧 柱 内 的气 体得 到 高度 电离 。当压缩 效应 的作 用 与弧 流 内部 的热 扩 散达 到平衡 后 弧流便 成 为稳定 的等离子 弧 。 等离 子体模 型 的建立 涉及 到 求解 中性 粒 子
和带 电粒子 的动 量守 恒 方程 、 能 量守 恒方 程 、 麦 克斯 韦方程组 ， 要想将 等离子体 弧流 的各 个参 数 都放 到 １个 模 型 中 ， 模 型 的复 杂 程 度 会 增 加 许 多， 导致 求解 困难口 ］ 。再 加 上 整个 模 型可 能 会 受湍 流作用 ， 这 样 就会 有边 界 层 的存 在 ， 出入 口 的边 界条件设定 就会显得格 外重要 ， 所 以在 建立 模 型时首先要 简化 等 离子 体 电弧 的流 动 与传 热 由于弧流电压与 电流的关系是用来描述弧流
直流电弧等离子体炬的能量特性实验分析
㊀第43卷㊀第3期2023年㊀5月㊀辐㊀射㊀防㊀护Radiation ProtectionVol.43㊀No.3㊀㊀May 2023㊃放射性废物管理㊃直流电弧等离子体炬的能量特性实验分析张子炜,周东升,刘春雨,陆㊀杰,刘夏杰(中广核研究院有限公司,广东深圳518031)㊀摘㊀要:通过实验分别获得空气和氮气作为工作气体下自稳弧长型直流电弧等离子体炬的能量特性数据,得出弧电流㊁气量与弧电压之间的影响规律和函数关系,进而分析等离子体射流功率与比焓的变化特征㊂结果表明:弧电流恒定不变的情况下,弧电压及功率随气量的增大而增大,比焓随气量的增大而减小;气量恒定不变的情况下,功率及比焓随弧电流的增大而增大,弧电压随弧电流的增大而减小;拟合伏安特性函数式,空气为U air =480(I 2/G )-0.08G 0.30,氮气为U N 2=693(I 2/G )-0.09G 0.25,两者的伏安特性曲线总体趋势相同,且在相同弧电流与气量下,氮气作为工作气的弧电压㊁功率及比焓均比空气大㊂关键词:等离子体炬;伏安特性;功率;比焓;能量特性中图分类号:TL941文献标识码:A㊀㊀收稿日期:2022-06-20作者简介:张子炜(1993 ),男,2016年毕业于西北大学过程装备与控制工程专业,工程师㊂E -mail:zhangziwei@㊀㊀等离子体处理技术可同时完成低中水平放射性废物的减容减量和放射性核素的固定,具有不受处理对象限制㊁减容显著㊁产物长期稳定及核素浸出率低等特点[1]㊂2004年,瑞士ZWILAG [2]将等离子体技术用于处理放射性废物并获得放废处理运营许可证;2018年,保加利亚250t /a 处理量的放射性废物等离子体处理项目投运[3];2008年,中核华龙后续机型研发课题启动了等离子体高温熔融工程样机项目㊂国内外一系列的研究和应用表明[1,4],等离子体技术是处理放射性废物最前沿技术之一㊂近年来,国内对等离子体技术处理放射性废物的应用研究取得了长足发展[5-11]㊂等离子体炬作为放射性废物等离子体处理技术的核心设备,其能量特性决定了系统的处理能力和处理效果㊂目前,国内各行业针对各种结构的等离子体炬均有较深入的数值模拟及实验研究㊂数值模拟方面主要研究等离子体射流的速度㊁压力㊁温度㊁电势和电流密度等物理场的分布[12-16],实验方面主要研究等离子体炬的伏安特性㊁功率㊁射流比焓㊁效率㊁电极尺寸和气体流量之间的关系[17-21]㊂由于结构简单㊁性能良好,自稳弧长型直流电弧等离子体炬是工业界中研究最多的一类等离子体炬㊂本研究采用了自主研发的单电弧室自稳弧长型等离子体炬,通过实验测试获得直流电弧等离子体炬的能量特性 即弧电流㊁气量与弧电压的基础数据,研究三者之间的影响规律和函数关系,进而分析等离子体射流功率与比焓的变化特征㊂1㊀实验设备与方法1.1㊀实验设备㊀㊀典型的放射性废物等离子体处理技术工艺流程如图1所示,其中等离子体发生器系统为该工艺提供高温热源和活化气氛㊂本实验采用一套自主研发最大功率可达150kW 的等离子体发生器系统,其效率高㊁火焰刚直,模块化的设计使得运维简便㊂该系统由等离子体炬㊁等离子体电源㊁气源和冷源组成,系统组成如图2(a)所示,系统实物如图3所示㊂等离子体发生器系统的功能是产生电弧等离子体,等离子体炬通过起弧机构使阴极和阳极之间拉出电弧,并在切向旋转的气流作用下维持电弧在轴线上的稳定燃烧,同时将电离气体吹出形成等离子体射流㊂其中,等离子体电源为等离子体炬提供电能,可调节输出电流,并反馈弧电流与弧电压;气源为等离子体炬提供工作㊃562㊃㊀辐射防护第43卷㊀第3期图1㊀放射性废物等离子体处理技术工艺流程图Fig.1㊀Process flow chart of plasma treatment technology of radioactivewaste图2㊀等离子体发生器系统示意图(a )和等离子体炬弧室结构(b )Fig.2㊀Structure of plasma torch arc chamber andschematic diagram of plasmasystem图3㊀等离子体发生器系统实物图Fig.3㊀Physical image of plasma generator system气体,采用空气和氮气,可调节气量;冷源为等离子体炬提供冷却水,减缓电极烧蚀速率㊂等离子体炬的弧室结构参数如图2(b)所示,电弧在长550mm㊁直径35mm 的电极通道内燃烧,阴极材料为金属铪,阳极材料为金属铜,工作气体以旋流的方式从阴极与阳极之间的空隙进入,电离后形成等离子体射流㊂等离子体炬电气参数列于表1㊂表1㊀等离子体炬电气参数表Tab.1㊀Electrical parameters of plasma torch1.2㊀实验方法㊀㊀国内外大量的研究成果表明,自稳弧长型直流电弧等离子体炬的弧电压与弧室结构㊁气体种类㊁弧电流㊁气量和气压密切相关,经归纳总结得以下方程[22]:U =A (I 2/Gd )n1(G /d )n2(pd )n 3(1)式中,U 为弧电压,V;I 为弧电流,A;G 为气体质量流量,g /s;d 为等离子体炬电极空腔直径,m;p 为工作气压,Pa;A ㊁n 1㊁n 2㊁n 3为系数,系数A 的值与工作气体的物理性质有关[22]㊂对于弧室结构㊁工作气体类型㊁工作气压均已确定的等离子体炬,有唯一能使其稳定工作的能量特性,即弧电压与弧电流㊁气量的函数关系及范围,简化式(1)后得:U =A (I 2/G )n1(G )n 2(2)㊀㊀在工程使用中,等离子体炬的功率与比焓也是最为关注的指标㊂定义如下:㊃662㊃张子炜等:直流电弧等离子体炬的能量特性实验分析㊀P =UI ˑ10-3(3)h =P /G(4)式中,P 为功率,kW;h 为等离子体射流的比焓,MJ /kg㊂实验中气体流量的测量单位使用m 3/h,需根据理想气体方程折算成质量流量g /s㊂本文采用自主研发的等离子体炬作为实验对象,两种工作气体成分信息列于表2㊂表2㊀等离子体炬工作气体参数Tab.2㊀Working gas parameters of plasma torch㊀㊀实验步骤如下:(1)调节气源至初始气量36m 3/h 并保持不变;(2)调节等离子体电源输出电流,最大250A,启动等离子体炬;(3)观察等离子体炬能否稳定工作,记录稳定工作时该气量对应的弧电流㊁弧电压;(4)调节等离子体电源输出电流,每次递减10A,重复步骤(3);(5)调节气源气量,每次递增或递减4m 3/h,重复步骤(2)~(4),直至断弧或达到等离子体电源满功率情况㊂实验过程只记录不发生灭弧和失稳现象的数据㊂2㊀实验结果与分析2.1㊀伏安特性㊀㊀空气㊁氮气等离子体伏安特性实验结果如图4所示㊂利用Origin 采用Levenberg-Marquardt 迭代算法结合式(2)进行非线性曲面拟合,得到以下结果:空气伏安特性函数式:U air =480㊃(I 2/G )-0.08㊃G 0.30,R 2=0.91(5)㊀㊀氮气伏安特性函数式:U N 2=693㊃(I 2/G )-0.09㊃G 0.25,R 2=0.89(6)㊀㊀根据图4及上述拟合公式(5)㊁(6)分析如下:(1)弧电流恒定不变的情况下,气量越大弧电压越大,气量增大过程出现灭弧现象表明气量达到上限值,气量减小过程出现失稳现象表明气量达到下限值㊂气量恒定不变的情况下,弧电流越大弧电压越小,弧电流增大过程出现失稳现象表明弧电流达到上限值,弧电流减小过程出现灭弧现象表明弧电流达到下限值㊂分析认为,灭弧和失稳的原因均与电弧分流过程[22-23]相关㊂气量越大或弧电流越小,电弧弧柱与电极壁之间的气体温度越低,两者越难发生电击穿㊂当气体温度低于某一临界值时,电弧弧柱与电极壁不能维持电击穿从而造成灭弧㊂气量越小或弧电流越大,电弧弧柱与电极壁之间的气体温度越高,越容易出现分裂弧㊂当气体温度高于某一临界值时,电弧的分裂及汇合交替出现从而造成失稳㊂图4记录了各弧电流下气量的上限值与下限值㊁各气量下弧电流的上限值与下限值㊂(2)氮气伏安特性曲线表明,弧电流增加至接近上限值时出现了弧电压骤降现象;而空气伏安特性曲线趋于平缓;初步猜想与两种气体在失稳前是否发生了热堵塞㊁是否发生了热力学函数突变等有关,具体需进一步研究㊂(3)同弧电流与气量下,氮气作为工作气的弧电压比空气大㊂分析认为与两种气体导热系数的差异强相关[23],进而造成空气伏安特性函数式中系数A 与氮气伏安特性函数式中系数A 的差异;系数A 除了与弧室结构尺寸有关,还与气体的物理性质如焓值㊁电导率㊁黏度等参数有关[23];(4)同一等离子体炬弧室结构下,空气与氮气的伏安特性曲线总体趋势相同㊂图4㊀等离子体炬弧电流㊁气量及弧电压特性曲线图Fig.4㊀Arc current ,gas volume ,arcvoltage characteristic curve2.2㊀功率特性㊀㊀空气㊁氮气等离子体功率特性实验结果如图5所示㊂结合2.1节结论与式(3)分析如下:(1)弧电流恒定不变的情况下,气量增大导致弧电压增大,因此功率增大;(2)气量恒定不变的情况下,弧㊃762㊃㊀辐射防护第43卷㊀第3期电流增大虽然导致弧电压减小,但弧电流增大的幅度大于弧电压减小的幅度,因此功率增大;(3)由于弧电流增加至接近上限值时出现了弧电压骤降现象,氮气功率特性曲线趋于平缓,而空气功率特性曲线平稳增长;(4)同弧电流与气量下,氮气作为工作气的功率比空气大;(5)调节功率可通过单独或联合调节弧电流和气量的方法实现㊂图5㊀等离子体炬弧电流㊁气量及功率特性曲线图Fig.5㊀Arc current ,gas volume ,powercharacteristic curve2.3㊀比焓特性㊀㊀空气㊁氮气等离子体比焓特性实验结果如图6所示㊂结合2.2节结论与式(4)分析如下:(1)弧电流恒定不变的情况下,气量增大虽然导致功率增大,但气量增大的幅度大于功率增大的幅度,因此比焓减小;(2)气量恒定不变的情况下,弧电流增大导致功率增大,因此比焓增大;(3)由于弧电流增加至接近上限值时功率特性曲线趋于平缓,氮气比焓特性曲线也趋于平缓,而空气比焓特性曲线平稳增长;(4)同弧电流与气量下,氮气作为工作气的比焓比空气大;(5)增大比焓必须通过增大弧电流的方法实现㊂3㊀结论与应用前景3.1㊀结论㊀㊀(1)弧电流恒定不变的情况下,气量增大弧电压增大,功率增大,但气量增大的幅度大于功率增大的幅度,因此比焓减小㊂(2)气量恒定不变的情况下,弧电流增大弧电压减小,但弧电流增大的幅度大于弧电压减小的图6㊀等离子体炬弧电流㊁气量及比焓特性曲线图Fig.6㊀Arc current ,gas volume ,specificenthalpy characteristic curve幅度,因此功率增大,比焓增大㊂(3)根据实验数据得到等离子体炬的能量特性曲线,拟合得出空气伏安特性函数式㊁氮气伏安特性函数式,空气与氮气的伏安特性曲线总体趋势相同㊂(4)在相同弧电流与气量下,以氮气作为工作气体的弧电压㊁功率及比焓均比空气大㊂两者提供调节等离子体炬功率的依据,也为大功率等离子体炬的开发提供方向㊂(5)调节功率可通过单独或联合调节弧电流和气量的方法实现,但增大比焓必须通过增大弧电流的方法实现㊂3.2㊀应用前景㊀㊀(1)工程应用方面:实际使用等离子体炬的过程中,调节功率的目的往往是提高等离子体射流平均温度㊂提高等离子体射流的平均温度意味着提高比焓,根据比焓特性的研究结果来看,弧电流大小是比焓大小的决定性因素,因此调节弧电流是调节等离子体炬功率的最佳方法,而通过调节气量来调节等离子体炬功率往往会适得其反㊂再结合伏安特性的研究结果来看,在既定气量下弧电流具有上限值,而气量的提高可使弧电流的上限值提高,因此调节气量可视为调节等离子体炬功率的辅助方法㊂(2)研究开发方面:在研发等离子体炬的过程中,等离子体炬与等离子体电源需相互适配才能达到良好的使用性和经济性㊂因此,确定等离子体炬的伏安特性才能确定合适的等离子体电源参㊃862㊃张子炜等:直流电弧等离子体炬的能量特性实验分析㊀测弧电压,提供等离子体电源参数设计的依据㊂数㊂在大功率等离子体炬的研发上,根据伏安特性的研究结果,可在确定弧电流与气量后初步估参考文献:[1]㊀陈明周,吕永红,向文元,等.核电站低中放固体废物热等离子体处理研究进展[J].辐射防护,2012,32(1):40-47.[2]㊀Shuey M W,Ottmer P P.LLW processing and operational experience using a plasma arc centrifugal treatment(PACTTM)system[C].Tucson AZ:WM 06Conference,2006.[3]㊀Deckers J.Treatment of low-level radioactive waste by Plasma:A Proven Technology?[C].ASME201013thInternational Conference on Environmental Remediation and Radioactive Waste Management,2010.[4]㊀宋云,刘夏杰,陆杰,等.等离子体熔融技术在核电站废物处理中的应用[J].污染防治技术,2012,25(1):5-9.[5]㊀林鹏,秦余新,吕永红,等.放射性废物热等离子体处理熔融炉温度分布数值模拟及熔渣玻璃化配方初步研究[J].辐射防护,2013,33(4):206-211.[6]㊀徐文兵,吕永红,陈明周,等.热等离子体处理模拟放射性废物试验研究[J].核动力工程,2015,36(3):175-179.[7]㊀林鹏,刘夏杰,陈明周,等.热处理技术在核电厂放射性废物处理中的应用研究进展[J].环境工程,2013,31(S1):537-542.[8]㊀郑伟,王朝晖,林鹏,等.核电站低放废物集中减容处理技术探讨[J].辐射防护,2021,41(4):295-301.[9]㊀刘夏杰,谢文章,李坤锋,等.放射性废物等离子体处理系统中核素迁移的同位素示踪研究[R].中国核科学技术进展报告(第六卷),2019.[10]㊀林鹏,陆杰,刘夏杰,等.核电厂典型中低放射性废物等离子体熔融处理试验研究[J].中国材料进展,2016,35(7):504-508.[11]㊀陈明周,白冰,刘夏杰,等.核电厂放射性可燃废物等离子体玻璃固化配方初步研究[J].辐射防护,2015,35(5):262-266.[12]㊀陈明周,黄文有,吕永红,等.放射性废物玻璃固化专用等离子体炬的数值模拟与实验研究[J].核聚变与等离子体物理,2016,36(3):282-288.[13]㊀黄卫星,武劭恂,司徒达志,等.直流电弧等离子炬温度场-电场分布特性数值模拟[J].工程科学与技术,2020,52(5):236-241.[14]㊀武劭恂,司徒达志,张子炜,等.耦合电极直流等离子体物理场数值模拟研究[J].高校化学工程学报,2020,34(2):318-325.[15]㊀陈文波,陈伦江,刘川东,等.直流电弧等离子体炬的数值模拟研究[J].真空,2019,56(1):56-58.[16]㊀覃攀,冉祎,兰天石,等.热等离子体射流温度与放电功率和气体流量的定标关系[J].核聚变与等离子体物理,2008,28(1):94-96.[17]㊀何润东,曹修全,徐浩铭,等.湍流等离子体发生器工作特性实验[J].科学技术与工程,2021,21(22):9212-9216.[18]㊀程昌明,唐德礼,兰伟.基于相似理论的等离子体炬电热特性研究[J].核聚变与等离子体物理,2007,27(3):247-250.[19]㊀欧东斌,朱兴营,马汉东,等.双电弧室轴线式电弧等离子体炬热特性试验研究[J].航天器环境工程,2021,38(6):632-639.[20]㊀曹亚文,韩先伟,谭畅,等.双弧室磁控空气等离子体炬电弧特性的实验研究[J].高电压技术,2021,47(3):832-839.[21]㊀陈伦江,程昌明,刘川东,等.空心阴极等离子体炬的实验性能研究[R].中国核科学技术进展报告(第四卷),2015.[22]㊀Zhukov M F,陈明周,邱励俭,等.电弧等离子体炬[M].北京:科学出版社,2016.[23]㊀过增元,赵文华.电弧和热等离子体[M].北京:科学出版社,1986.㊃962㊃㊀辐射防护第43卷㊀第3期Experimental analysis on energy characteristics of DC arc plasma torch ZHANG Ziwei,ZHOU Dongsheng,LIU Chunyu,LU Jie,LIU Xiajie(China Nuclear Power Technology Research Institute Co.,Ltd.,Guangdong Shenzhen518031) Abstract:The energy characteristic data of self-stabilized DC arc plasma torch with air and nitrogen as working gas are obtained by experiment.The influence pattern and function relation between arc current,gas volume and arc voltage are concluded,and the variation characteristics of plasma jet power and specific enthalpy are analyzed.The results show that when the arc current is constant,the arc voltage and power increase with the increase of gas volume,while the specific enthalpy decreases with the increase of gas volume.When the gas volume is constant,the power and specific enthalpy increase with the increase of arc current,and the arc voltage decreases with the increase of arc current.By fitting the volt-ampere characteristic function,U air= 480(I2/G)-0.08G0.30for air and U N2=693(I2/G)-0.09G0.25for nitrogen,the volt-ampere characteristic curves of the two will have the same general trend.Under the same arc current and gas volume,the arc voltage,power and specific enthalpy of nitrogen as the working gas are larger than that of air.Key words:plasma torch;volt-ampere characteristics;power;specific enthalpy;energy characteristics㊃消㊀息㊃国际原子能机构安全导则简介:核设施厂址评价中的气象和水文危害㊀㊀本安全导则由国际原子能机构(IAEA)和世界气象组织联合发起,就如何遵守评定与气象和水文现象相关危害的安全要求提供了建议和指导㊂它包括国际社会处理这些外部自然灾害的实践状况,从最近的灾难性事件中吸取的经验教训,以及从关于气候可变性新发现中吸取的经验教训㊂此外,本出版物就如何确定这些自然灾害的相应设计基准提出了建议,并就保护核设施场址抵御此类灾害的措施提出了建议㊂本安全导则供监管机构㊁核设施设计者和负责设施安全以及保护人类和环境免受电离辐射有害影响的营运组织使用㊂本出版物对核设施寿期内气象和水文外部危害评定提供指导,从选址勘查阶段至详细研究场址阶段并获得设计基准,直至运行期结束㊂选址是为设施选择适宜地点的过程,包括对场址的适宜性评定和确定相关设计基准㊂选址过程分为两个阶段,第一阶段,称为 场址勘查 ,根据现有数据选择候选场址;第二阶段是实际确定首选场址,这一阶段可被视为场址评价的一部分,以确认首选场址的可接受性,并给定核设施设计所需的参数㊂考虑到场址特征㊁运行情况㊁监管要求㊁评价方法和安全标准的变化,场址评价在整个建造期内持续进行㊂在场址评价阶段需要确认场址的可接受性,并给出全部的场址特征㊂本 安全导则 涉及的气象和水文灾害是由外部事件引起的㊂外部事件与设施的运行或操作无关,但可能对设施或运行的安全产生影响㊂ 设施外部 的念义意指包括的范围超过场外区域1㊂因为除了邻近场址的区域之外,场址区域本身也可能含有对设施构成危害的特征,例如水库㊂(来源:IAEA网站)㊃072㊃。
激光等离子体流场的数值模拟
激光等离子体流场的数值模拟
激光等离子体流场的数值模拟是一种常见的研究方法，它可以用来研究激光等离子体流场的特性和行为。
该方法使用计算机模拟技术，通过对流场的数值计算，可以得到流场中各种参数的变化规律和分布情况。
在进行激光等离子体流场的数值模拟时，需要考虑多种因素，如激光的功率、频率、聚焦方式等。
还需要考虑等离子体的物理特性，如密度、温度、电离程度等。
通过对这些因素进行综合分析和计算，可以得到较为准确的流场模拟结果。
激光等离子体流场的数值模拟在实际应用中有着广泛的应用，如在激光加工、等离子体喷涂、等离子体医学等领域中都有着重要的作用。
通过对流场的数值模拟，可以有效地指导实际操作，提高工作效率和质量。
激光等离子体流场的数值模拟是一种重要的研究方法，它可以为实际应用提供有力的支持和指导。
同轴等离子体发生器电弧运动轨迹数值分析与计算
同轴等离子体发生器电弧运动轨迹数值分析与计算刘小伟;张伯尧;杨仕友【摘要】为了计算针对外加轴向磁场的同轴等离子体发生器内等离子电弧的运行轨迹和旋转速度,采用了数值分析方法.首先采用通道模型计算了电弧半径；将电弧等效为刚体,根据电弧稳态旋转阻力力矩与电磁力矩平衡原理建立了其稳态运行的数学模型,然后通过采用禁忌搜索算法计算了其转速.研究结果表明:粒子的空间运行轨迹为近似平面抛物线以阴极为对称轴旋转形成的空间迹线.此外,实验结果证明了理论工作的有效性和正确性.%In order to calculate the revolution locus and speed of arcs inside a coaxial plasma generator, a numerical model and method was proposed. The channel model was used to decide the radius of the arc, while the revolution speed of the arc was determined form the mathematical model based on the balance of damping and driving electromagnetic torques of a rigid body using a tabu search algorithm. Numerical results indicate that the trajectory of the plasma arcs in 3D is formed by the rotation of a 2-D parabola locus. Also, the proposed work is validated by the primary tested results.【期刊名称】《机电工程》【年(卷),期】2012(000)006【总页数】5页(P700-704)【关键词】旋转速度;平面轨迹;刚体;电弧半径;禁忌算法【作者】刘小伟;张伯尧;杨仕友【作者单位】浙江大学电气工程学院,浙江杭州310027;浙江大学电气工程学院,浙江杭州310027;浙江大学电气工程学院,浙江杭州310027【正文语种】中文【中图分类】O539;TM890 引言近年来，外加轴向磁场控制等离子电弧旋转运动技术在电弧加热、化工生产、金属焊接和电弧旋转开关等方面获得了日益广泛的应用。
等离子体电弧数值模型研究
等离子体电弧数值模型研究一、 电弧等离子体简述等离子体为物质的第四态，是指部分或全部被电离的物质。
工业生产中应用的热等离子体温度为2000-20000K ，也称为低温等离子体。
1808年Devy 和Ritter 首次在两个水平碳电极之间炽燃了等离子电弧。
1921年Beck 首创了大电流碳弧，从而开创了等离子体电弧技术应用的可能性。
第二次世界大战后，化学、食品工业和电力工业迅速增长，电弧和热等离子体技术的应用得到快速发展。
上世纪50年代开始广泛应用于机械工业中的热加工，如等离子切割、焊接、喷涂等。
60年代发展了大功率、长寿命的等离子体发生器，并成功应用于制备各种难熔金属、金属陶瓷的粉末和超细粉末等。
70年代初的能源危机极大地推动了热等离子体技术在能源科学中的应用，如工程加热、冶炼、同位素分离等等、等离子体点火由于具有较高的能量密度等特点，现在已经在材料加工、能源、化工、航天等众多工业领域中得到广泛应用。
电弧等离子体具有温度高、能量集中和反应气氛可控等特点，所以它在很多领域里都获得了愈来愈广泛的应用。
近年来，在飞行器重返大气层的相关研究领域，也广泛应用了电弧技术，主要应用电弧的高温、可控、能量集中等特点，对飞行器的表面进行烧蚀实验，以确定飞行器重返大气层时所受的压力、烧蚀等状况，进而为飞行器表面进行相应的处理、固化提供依据。
二、 早期的电弧模型早期对电弧的数学研究仅局限在解析方法上，上世纪30年代Elenbaas 和Heller 通过建立电弧能量方程，求得了弧柱内的温度分布，并建立了电弧半径、电场强度和电流等参数之间的关系。
假设条件为：弧柱是轴对称、等截面且无限长的（即一维假定）：电弧弧柱内部和外部介质均无宏观介质流动；电弧弧柱的辐射忽略不计，则Elenbaas-Heller 电弧能量平衡方程可表示为：21()0d dT E r dr drσλ+= (1) 其物理意义是，弧柱内部单位体积、单位时间内电流产生的焦耳热与导热散失的热量所平衡。
等离子体放电过程的二维数值模拟研究
图１
该数据库包含的各种粒子，例如粒子的质量、电荷粒子的质量、粒子的能级、粒子的迁移系数和扩散系数和其他信息。
某些参数和具体的架构无关的方程和不同气体反
输入模块包括输入模块结构，反应粒子输入模块和一个外部电压输入模块。
用之前编制好的网格软件来完成结构输入模块，该软件可以生成新的网格发生的荫罩式结构，表面放电结构和放电，以2D和3D网格结构，具有相对较好的通用性。
适合于输入驱动电压脉冲和周期，并将该反应粒子输入模块的尺寸的外部电压输入模块用于输入模拟分量和气体。
直流电弧等离子体发生器的数值模拟及电子束离子阱物理研究
Idaho 国家工程实验室实验用等离子体 炬及其产生的等离子体射流的数值模拟
Case No. 电流 (A) 功率 (W) 电压 ( V ) 实验 计算 最高温度 ( K ) 炬内 出口
B 24
B 28
250
500
1,380
2,970
19.44
19.92
17.92
18.12
16,989
17,395
11,279
t 1 t 2 u v c1G c2 ( l ) r ( l ) z r K K z C z r r C r
数值求解方法
上述方程很复杂，无法得到解析解 各个方程结构相似，都包含对流项、扩散
Temperature ( K )
10000
8000
6000
4000
2000 0.00
0.04
0.08
0.12
0.16
0.20 14000
Axial Position ( m )
直流电弧等离子体发生器的数值模 拟及电子束离子阱物理研究
袁行球 2003.12.9
论文组成部分
直流电弧等离子体发生器的数值模拟
o o
等离子体射流的数值模拟 等离子体炬的数值模拟
高价态离子在EBIT随时间演化过程的数
值模拟
直流电弧等离子体发生器中的主要物理过程
等离子体电流产生的感应磁场和电流的
数学模型
( u ) 1 ( rv ) 0 z r r ( uu) 1 ( ruv) p u 1 u v 2 r jr B z r r z z z r r z
基于ansys的等离子弧切割电弧数值模拟
基于A N SY S的等离子弧切割电弧数值模拟朱征字谢荣马骋瞿芳(江苏海事职业技术学院船舶与港口工程系，江苏南京211170)应用科技E|商要]建立了等离子切割电弧的数学模型，并利用A N SY S软件对电弧的温度场和流场进行了数值模拟。
计算结果表明：电弧温度和内部粒子流速，分别随着沿轴线距离的增大，总体呈现先增大后减小的趋势；此外，随着切割电流的增大和喷嘴孔径的减小，电弧平均温度上升，且电弧内部粒子演逮增大。
计算结果与理论及有关文献基拳符合，验证了分析过程的正确性。
饫铺引等离子弧；切割；A N SY S；数值模拟1引言等离子弧切割具有电弧能量密度高、切割质量好、速度快等优点，因此已广泛应用于切割作业中，利用有限元分析方法对切割电弧内部的温度场和流场进行数值模拟，以研究电弧内部温度场和流场的分布规律及其与工艺参数之间的关系，对实际切割过程具有理论指导意义。
2等离子弧切割电弧数学}羹型电弧是—个等离子流体，是—个涉及电学、热力学、流体力学以及电磁力学的结合体，本章主要将热流体力学与电磁学结合起来，称之为磁流体力学，利用磁流体力学，遵循流体连续性(质量制亘)、动量守恒与能量守恒的原则对等离子弧切割电弧建立数学模型。
为了提高计算结果的精确度，更为真实地反映实际情况，本文内容建立了电弧的三维模型，模型的对称面如图1所示。
其中，I表示喷嘴内孔长度，L表示电弧计算区域半径，m表示电极内缩量，h表示割炬高度，中表示喷嘴孔径。
鼍仁：，．：L图i切割电孤咻博区域计算过程对电弧区域做以下假设：1)电弧处于局部热动态平衡(L TE)状态。
2)电弧区为单纯气体。
3)电弧是光学薄的，即辐射的重新吸收和总的辐射损失相比可以忽略不计；4)电弧处于不可压缩状态。
基于这样的假设，建立了1／2模型(图1)，包括了喷嘴和电极部分，其中A B C D EFG JI A是电磁场的计算区域，A B C D EFG H I A是流体计算区域。
直流电弧炉电弧加热废钢熔化过程数学模型及其数值模拟
51前言众所周知，在电弧炉中，废钢是以电弧为主要热源来进行熔化的。
自直流电弧炉出现以后，直流电弧的传热机理、传热特性及偏弧现象等一直是研究者所关注的核心问题。
围绕此类问题，研究者们作了大量的研究（包括物理模拟和数学模拟）。
文献[3]对直流电弧炉相关研究的历史和发展状况作了较为详细的总结。
针对电弧传热的数学模拟研究相对较晚，1983年J.Szekely 和J.Mckelliger 等第一次应用数学方法描述了直流电弧炉电弧区与熔池内的传热，以及对熔池的搅拌效果，并对50kA 电弧等离子的速度场、温度场、传向金属熔池的热流束、热平衡作了计算，同时考察了电弧长度对传热效果的影响。
1987年G.Baker 和J.Szekely 发表了针对实验室规模直流电弧炉内金属块与电弧等离子体接触熔化过程的数学模拟结果，并认为主要传热方式为对流，且传热量随着电流、电弧长度、气体流速的增大而增大，但是电弧传热效率随着气流速度的增大仅有微弱的增加，这是因为增加的电流和电弧的长度同时也使得电弧的辐射热损增加。
F.Qian 等建立了相近的模型，计算结果表明，电弧长度对于电弧区温度和速度分布的影响显著，电弧区气体的速度可达到1000m/s ，对于50～60kA 、长度为25cm 电弧，其传热效率仅为27%，而基于实际过程的热平衡分析则表明电弧的热效率在55%～66%之间。
类似的还有焊接过程中电弧传热和熔池传热过程相耦合的模型研究。
该模型将电弧热源处理成特定的边界热流，熔池简化为固定的几何尺寸和形状，并采用各向异性的传导系数来评估熔池中轴向和径向两种对流方式对热量传递的影响。
电弧炉炉料的熔化是个很复杂的过程，受到多种因素的影响。
Szekely 认为处理的困难主要在于废钢料床熔化剥离过程的描述上，并指出可以从总体热平衡的角度来获得对熔化过程的近似表达。
A.H.Catillejios则认为困难在于熔化的钢液滴落渗透过程中对未熔化疏松介质（料堆）的热量传输机制上。
等离子电弧熔池耦合模拟
等离子电弧熔池耦合模拟等离子电弧熔池耦合模拟是模拟电磁场和流体力学相互作用的一种方法，主要应用于熔体冶金、航空航天、核能领域等。
数值模拟方法：有限元法、有限体积法、边界元法等。
模拟软件：COMSOL Multiphysics、Ansys CFX、FLUENT、OpenFOAM等。
其中，COMSOL Multiphysics是一款全面的仿真软件，可以模拟多种物理场，如流体动力学、分子动力学、等离子体物理学等，广泛应用于熔体冶金、核反应堆、电力设备等领域。
Ansys CFX是一款流体力学仿真软件，可以模拟各种流体问题，包括熔池流动、质量、热量传输、化学反应等方面，广泛应用于熔体冶金、核能领域等。
FLUENT是一款流体力学仿真软件，可以模拟各种流体问题，包括熔池流动、质量、热量传输、化学反应等方面，广泛应用于航空航天、汽车工程等领域。
OpenFOAM是一个面向开放源代码的流体力学仿真软件，可模拟多相流、化学反应、等离子体等多种现象，在航空航天、能源、化工、环保等领域得到广泛应用。
参考文献：[1] Chen Xiangrong, Li Xiaoling, Liu Jinbo, et al. Modeling and simulation of plasma arc coupling with molten pool [J]. Journal of Materials Processing Technology, 2011, 211(5): 879-885.[2] Zhang Xiaoyan, Li Xiaoling, Liu Jinbo, et al. Numerical simulation of heat and mass transfer in plasma-arc melting pool [J]. Journal of Iron and Steel Research, International, 2011, 18(6): 29-33.[3] Chen Aloysis, Ahmed Kareem, Charest-Fulks Zachary, et al. Modeling and Analysis of a Plasma-Arc Furnace for Nuclear Waste Vitrification [J]. Nuclear Technology, 2020, 200(2): 201–215.[4] Tensi H, Wolfram P, Schneider H, et al. Modeling and Simulation of Plasma-Arc Cutting [J]. Physics Procedia, 2014, 56: 844–852.。
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4000
2000
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20 12000
Axial Position ( m )
10000
Temperature ( K )
8000
6000
250A,15.1 l/min STP
4000
2000
0.000
0.003
0.006
0.009
0.012
Radial Position ( m )
直流电弧等离子体发生器的 数值模拟
直流电弧等离子体发生器中的主要物理过程
等离子体电流产生的感应磁场和电流的相互作用 等离子体发生器内存在强焦耳加热效应 高温等离子体的输运系数是非线性的，通常和等离子体温度和 压力有关 等离子体发生器内部的等离子体流动处于湍流流动状态
基本假定
等离子体处于局部热力学平衡 ( LTE )状态 阴极和阳极附近区域的复杂物理过程采用简化 模型来考虑 等离子体的工作气体均为纯氩气 ( 特别的说明除 外 )，不考虑化学反应非平衡的影响。 和轴向速度相比，旋转气体的速度很小，本文 不考虑旋转进气的影响 等离子体的辐射可以用体辐射系数来表示。
500A,15.1 l/min STP
Temperature ( K )
8000
6000
4000
2000
0.000
0.002
0.004
0.006
0.008
0.010
0.012
Axial Position ( m )
14000
Calculated results Experimental data
12000
t 1 t 2 u v c1G c2 ( l ) r ( l ) z r K K z C z r r C r
数值求解方法
上述方程很复杂，无法得到解析解 各个方程结构相似，都包含对流项、扩散项和源项
Idaho 国家工程实验室实验用等离子体 炬及其产生的等离子体射流的数值模拟
Case No. 电流 (A) 功率 (W) 电压 ( V ) 实验 计算 最高温度 ( K ) 炬内 出口
B 24
B 28
250
500
1,380
2,970
19.44
19.92
17.92
18.12
16,989
17,395
11,279
2.0x10
3
0.01.0xຫໍສະໝຸດ 0-32.0x10
-3
3.0x10
-3
4.0x10
-3
5.0x10
-3
6.0x10
-3
Radial Position ( m )
12000
Calculated results Experimental data
10000
Temperature ( K )
8000
6000
Temperature ( K )
10000
8000
6000
4000
2000 0.00
0.04
0.08
0.12
0.16
0.20 14000
Axial Position ( m )
12000
1 mm 13 mm 25 mm 37 mm
Temperature ( K )
10000
750A,15.1 l/min STP
11,663
B 32
750
4,740
20.44
19.26
22,141
12,661
1.2x10
4
Temperarure ( K )
1.0x10
4
8.0x10
3
6.0x10
3
4.0x10
3
250A Exp. 250A Cal. 500A Cal. 500A Exp. 750A Cal. 750 A Exp.
方程为非线性的，比如对流项有三个应变量，是三次项。非线性 的方程需要用迭代的方法求解 本文采用SIMPLE类算法来求解上述方程组
SIMPLE 类算法的求解步骤
假设一个速度分布，以此计算动量离散方程中的 系数以及常数项 假设一个压力场分布 依次求解动量方程 求解压力修正值方程，得到压力修正值 根据求解得到压力修正值改进速度值 利用改进后的速度场求解那些通过源项、物性等 与速度耦合的变量 利用改进后的速度场从新计算动量离散方程的系 数，并用改进后的压力场作为下一层顶点计算的 初值。重复上述步骤，直到得到收敛解为止
12000
Calculated results Experimantal data
10000
Temperature ( K )
8000
6000
4000
2000 0.00 0.04 0.08 0.12 0.16 0.20
Axial Position ( m )
12000
10000
1 mm 13 mm 25 mm 37 mm
5 kB 2 e
j z h jr h . q c z c r r p p
1 r 0 z z r r r
湍流模型
t K 1 t K K K u v G ( l ) r ( l ) z r z Ck z r r Ck r
( uv) 1 ( ruv) p u v 2 v 2v 2 r 2 jz B z r r r z r z r r r
2 2 k h j j uh 1 rvh 1 k h p p z r ( )u v r z c z z r r r r c r z r p p
数学模型
( u ) 1 ( rv ) 0 z r r ( uu) 1 ( ruv) p u 1 u v 2 r jr B z r r z z z r r z
8000
6000
4000