直流电弧等离子体发生器中的主要物理过程

0.000
1 mm 13 mm 25 mm 37 mm
0.003
0.006
0.009
Radial Position ( m )
0.012
等离子体射流的数值模拟
不同环境气体中的等离子体射流特性研究 超音速等离子体射流
等离子体炬的数值模拟
标准结构阳极等离子体炬的二维以及三
维模拟
收缩-发散形状阳极等离子体炬的模拟 阶梯形状阳极等离子体炬的模拟 不同形状阳极等离子体炬内部流场特性
Calculated results Experimental data
10000
8000
6000
4000
2000 0.00
0.04
0.08
0.12
0.16
Axial Position ( m )
750A,15.1 l/min STP
14000.020 12000 10000
8000 6000 4000 2000
19.92 18.12 17,395 11,663
20.44 19.26 22,141 12,661
1.2x104
Temperarure ( K )
1.0x104
8.0x103 6.0x103 4.0x103
250A Exp. 250A Cal. 500A Cal. 500A Exp. 750A Cal. 750 A Exp.
Temperature ( K ) Temperature ( K )
12000 10000
Calculated results Experimantal data
8000
6000
4000
2000 0.00
0.04
0.08
0.12
0.16
0.20
Axial Position ( m )
12000
10000
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。
数学模型
(u) 1 (rv) 0
z r r
(uu)
z

1 r
(ruv)
r


p z

2
z

u z


1 r
r
u r

v z


jr B
(uv)
500A,15.1 l/min STP 8000
6000
4000
2000
1 mm 13 mm 25 mm 37 mm
0.000
0.002
0.004
0.006
0.008
Axial Position ( m )
0.010
0.012
Temperature ( K ) Temperature ( K )
14000 12000
论文组成部分
直流电弧等离子体发生器的数值模拟
o 等离子体射流的数值模拟 o 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
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，
8000
6000
4000
2000 0.00
0.05
0.10
0.15
Axial Position ( m )
01.220000 10000
8000
6000
250A,15.1 l/min STP 4000
2000
0.000
0.003
0.006
0.009
Radial Position ( m )
0.012
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)
B 24 250 B 28 500 B 32 750
功率 (W)
1,380 2,970 4,740
电压 ( V ) 实验 计算
最高温度 ( K ) 炬内 出口
19.44 17.92 16,989 11,279
h) u p z z
v p r

jr2

j
2 z

5 2
kB e
jz cp
h z

jr cp
h r


.
q
r
1 r 0
z z r r r
湍流模型
u
K z

v K
r
G

z

(l
Βιβλιοθήκη Baidu

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Ck
)
K z


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r

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Ck
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u

z
v
r
c1G

K
c2
2
K

z

(l

t
C
)

z


1 r
r

r(l

t
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
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
2.0x103 0.0
1.0x10-3
2.0x10-3 3.0x10-3 4.0x10-3
Radial Position ( m )
5.0x10-3
6.0x10-3
Temperature ( K ) Temperature ( K )
12000 10000
Calculated results Experimental data
z

1 r
(ruv)
r


p r
2
z

u r

v z


2 r
r
v r



2v r2

jz B
uh 1 rvh
z r r
1 r
r

r
k cp
h r


z
(
k cp
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
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