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直流电弧等离子体射流具有常规热源难以具备的高焓、高能流密度等特点,被广泛应用于新材料加工与制备以及长时间高焓流动地面模拟等领域。常规的直流电弧等离子体发生器仅能获得湍流流动的等离子体射流,稳定性和可重复性较差,限制了其在某些对工艺可重复性与可控性有严格要求的领域的进一步应用。中科院力学所应用等离子体力学课题组在前期工作中,研制了具有狭长中间段和突扩阳极结构的非转移直流电弧等离子体发生器。通过对其工作参数的优化协调,在减压环境下实验获得了体积大、脉动小的层流等离子体射流,在先进涂层制备等领域有良好应用前景。
本文针对这种特殊结构的直流等离子体发生器,利用流体力学商业软件Fluent,采用定常、二维轴对称、局域热力学平衡(LTE)模型以及可压缩层流假设,添加电磁场方程组,与流体力学方程组耦合迭代求解,数值模拟了不同运行参数下发生器内从阴极腔到发生器出口纯氩等离子体的流动特性,为该发生器运行参数的进一步优化提供了定性参考。
本研究的主要工作及取得的成果包括:采用Fluent的自定义函数和自定义标量,实现氩气在温度范围300-30000K、压力范围0.1-100kPa的物性参数添加;以经典的自由燃烧氩电弧实验结果,对程序接口以及运行可靠性进行了检验;数值模拟研究了发生器出口压力(1-10kPa),氩气流量(6.6-17.6slm)以及电弧电流(55-85A)等运行参数对非转移直流等离子体发生器内流场特性的影响规律。结果表明,出口压力降低时,等离子体在中间段出口附近膨胀得更加剧烈,使得发生器出口处等离子体射流体积增大;发生器出口处射流中心轴向速度随着出口压力的减小而增加;在所研究的发生器出口压力范围内,当气流量为2.8,5.6,8.4和11.2slm时,上游阴极腔压分别维持在9.5,15.2,20.0,24.5kPa,说明在发生器的中间段内出现了热壅塞现象;当气流量增大或出口压力减小时,弧根向下游移动;同时,气流量增大时,阴极尖端附近的最高温度增大,发生器出口平面射流的轴向速度也增大;电流增加时,发生器内部和出口平面的温度和轴向速度均增加;弧电压随着出口压力和气流量的增大而增大;电流在55A.85A变化时,弧电压伏安特性呈U型曲线;随着电流的增加,发生器内等离子体比焓增加,Helmholtz振荡频率增加。这些规律与课题组前期在实验研究中观察到的规律定性一致。