等离子发生器中空气流场的数值分析 (2002年)

用等效的内部加热区代替产生欧姆热的电弧，对等离子发生器内的层流流场进行了数值模拟，分析了进气预旋角、进口气流总压和喷嘴气流压缩角对电极斑点附近的电极表面温度的影响，讨论了电极烧蚀之后电极表面温度的变化。通过对数值模拟结果的分析，提出了等离子发生器的结构设计和电极冷却方式的合理建议。 ### 等离子发生器中空气流场的数值分析 #### 概述 本文献针对等离子发生器内部空气流场进行了深入的研究。通过数值模拟的方法，探讨了不同参数（如进气预旋角、进口气流总压、喷嘴气流压缩角）对电极表面温度的影响，并进一步分析了电极烧蚀后表面温度的变化规律。基于这些分析结果，作者提出了一系列关于等离子发生器结构设计与电极冷却方式的建议。 #### 数值模拟方法 在模拟过程中，采用了等效的内部加热区域来替代实际发生的欧姆热效应产生的电弧。这种方法简化了计算模型，便于更准确地模拟等离子发生器内部的流场行为。考虑到等离子发生器喷嘴中热流体的平均温度大约在1500~3000K范围内，空气的电离度和离解度相对较低，因此，在模拟中忽略了电磁力、化学反应等因素的影响，并将电功率加热（欧姆热）项等效为流场内部的热源项。此外，由于流速被控制得很低，流体作层流流动，这进一步简化了计算模型。 #### 控制方程 等离子发生器内部流场的控制方程基于斯托克斯假设下的连续方程、动量方程、能量方程以及状态方程。具体包括： - **连续方程**：描述流体的质量守恒。 - **动量方程**：描述流体的动量守恒。 - **能量方程**：描述流体的能量守恒。 - **状态方程**：连接流体的压力、密度和温度。 这些方程共同构成了模拟的基础，使得能够精确地分析等离子发生器内部的流动情况。 #### 几何模型与边界条件 为了准确地模拟等离子发生器内部的流场，首先需要建立一个合理的几何模型。文献中提到的几何模型为轴对称结构，这种简化有助于减少计算资源的需求，同时也能够较好地反映真实情况。对于边界条件的设定，主要考虑了进口边界条件，特别是进气预旋角、进口气流总压和喷嘴气流压缩角等参数的影响。 #### 分析结果 通过数值模拟，研究发现： - **进气预旋角**：预旋角的大小显著影响电极表面温度分布，适当的选择预旋角可以有效降低电极表面温度，从而减少电极烧蚀。 - **进口气流总压**：提高进口气流总压可以增强冷却效果，但过高的压力会导致电极表面温度升高。 - **喷嘴气流压缩角**：压缩角的调整能够优化流场分布，改善电极表面的热负荷。 #### 结构设计与电极冷却建议 基于以上分析结果，作者提出了以下几点建议： - 在设计等离子发生器时，应综合考虑进气预旋角、进口气流总压和喷嘴气流压缩角等因素，以达到最佳的冷却效果。 - 优化电极的结构设计，例如采用特殊材料或结构改进，以增强其散热能力。 - 探索新型冷却技术，如采用内部水冷或表面冷却技术，以进一步降低电极表面温度，延长其使用寿命。 #### 结论 本文献通过数值模拟等离子发生器内部流场，详细分析了影响电极表面温度的关键因素，并据此提出了改进等离子发生器设计和电极冷却方式的有效建议。这对于提高等离子发生器的性能和延长其使用寿命具有重要意义。未来的研究可以进一步探索更加复杂的物理现象，如电磁效应和化学反应的影响，以更加全面地理解等离子发生器的工作机制。