等离子体射流产生与特性的实验研究

本文报道热等离子体射流产生及射流特性的实验研究结果。采用同一个直流等离子体发生器,工作气体流量小时产生出层流等离子体长射流,射流长度随气体流量或弧电流的增加而明显增加;工作气体流量大时则产生出湍流等离子体短射流,此时射流长度几乎与工作气体流量或弧电流无关;在层流与湍流等离子体射流工况之间,存在一个流动状况不稳定的过渡区,此时等离子体射流的平均长度随气流量的加大而减小,但随弧电流的加大而明显加大。层流等离子体长射流有相当好的刚性。     

层/湍流等离子体射流波动特性实验研究

本文应用电压传感器、光电倍增管及水冷皮托管,对产生射入空气中的纯氩层流和湍流等离子体射流的弧电压波动、发生器出口处的射流光强波动以及沿射流轴线的滞止压力波动进行了测量。结果显示层流等离子体射流各参数的波动幅度远小于湍流射流的对应值;弧电压的波动幅度随气流量的变化明显,但随电流的变化很小;弧电压的波动幅度与其平均值之比随电流增加呈下降的趋势。     

直流纯氮层流等离子体射流特性的实验研究

采用自行研制的直流非转移型等离子体发生器,对其产生的层流等离子体射流特性进行了实验研究。实验结果表明:该等离子体发生器在以纯氮气为工作气体时,呈现出高电压低电流的等离子体射流特性,该特性有助于提高等离子体发生器的电极寿命;在弧电流和工作气流量由小向大变化过程中,等离子体射流长度均呈现出先由短变长、再由长变短的变化规律;在等离子体射流长度由长变短的过程中,射流的形貌从相对集中、轴对称和稳定的状态向分散、非轴对称和不稳定的状态变化,即等离子体射流由层流形态向湍流形态转变,并且在此过程中射流产生的噪音逐渐增强。     

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采用简化阴极的一维边界层模型,将同轴磁旋转电弧等离子体发生器的阴极与弧柱耦合求解,使用FLUENT软件,数值模拟了不同锥角阴极的形状对磁分散电弧等离子体、阴极弧根和阳极弧根位形的影响.结果表明:阴极弧根具有扩散特征,其电流密度为107A·m-2量级;阴极形状的改变引起阴极弧根位形和电流密度分布变化,从而影响等离子体参数分布;随着阴极锥角的增大,阴极弧根从阴极前端移动到阴极侧面,等离子体区域向下游偏移,等离子体轴向厚度减小.     

直流电压等离子体点火器点火特性研究

使用自行设计的等离子体点火装置,对极间电流随进口氩气压力的变化规律以及不同进口氩气压力和工作电流条件下等离子体点火器出口射流特性进行了实验研究。利用四通道CCD光谱仪测量了点火器出口处的发射光谱特征,并计算了等离子体的电子温度。结果表明,极间电流随进口氩气压力的增大而逐渐减小,等离子体点火器的射流长度随进口氩气流量的增大先增大后减小,随工作电流的增大而增大,等离子体点火器的工作电流随进口氩气流量的增大而减小,随电源输出电流增大而增大,等离子体射流的电子温度随氩气流量的增大而降低,随工作电流的增大而升高。所得结果对等离子体点火系统在航空发动机的实际应用具有一定的指导意义和参考价值。     

层/湍流等离子体射流的稳定性与三维特性的实验观测研究

采用普通照相和短时间曝光成像的ICCD照相技术,观测了低于大气压条件下产生的纯氩和氩-氢直流电弧等离子体射流的高温区的瞬时形貌及其变化,结合电弧弧根在阳极表面贴附行为的观测结果,对射流的稳定性与三维特性和弧根行为之间的关联进行了分析.结果表明,层流等离子体射流的高温区长度明显长于湍流射流情形,并且具有很好的轴对称性和时间稳定性;湍流射流的高温区瞬时形貌则表现出明显的三维特征;等离子体射流的三维特性与弧根在阳极表面的贴附行为没有直接的联系.     

层流氩等离子体射流温度的测量

 采用给水冷管状静电探针施加负偏置电压、并使探针以一定速度垂直于射流轴线扫过层流氩等离子体射流的方法,测量探针所收集到的累积离子饱和电流随侧向位置的变化,利用Abel变换推导出了局部离子饱和电流密度沿射流径向的分布;采用自制的水冷动压探针,以动态扫描法测量了射流动压沿射流径向的分布;根据局部离子饱和电流密度和射流动压的测量数据,由理论关系式推导出了等离子体射流横截面上的温度分布,同时,采用谱线相对强度法测量了等离子体射流的激发温度。结果表明：两种方法得到的等离子体射流中心温度吻合较好,所得到的射流中心温度随弧电流加大而增大的变化趋势也一致。     

层流等离子体制备球形氧化铝粉末的实验研究

为研究非转移弧层流等离子体制备面向新材料领域的μm级球形氧化铝粉末的能力,使用自制的非转移弧分段式阳极层流等离子体球化设备,以载气送粉的方式,对η相的不规则μm级三氧化二铝粉末进行等离子体球化处理,并采用均匀设计法,研究等离子体发生器和送粉器不同的工作参数对氧化铝粉末球化率的影响规律。结果表明,实验所采用的直流非转移弧层流等离子体发生器能有效制备球化率接近100%的高球化率球形氧化铝粉末。实验发现,高球化率、高分散性和粒径大小均匀的球形氧化铝粉末可在不同工艺参数组合下制备,并证明了采用非转移弧分段式阳极层流等离子体发生器可实现较低功率下制备较高球化率球形氧化铝的可行性。实验还通过XRD与PDF卡片索引技术对球化前后的氧化铝粉末进行了物相定性分析,发现η相的氧化铝粉末经射流作用转化成了Corundum型的氧化铝粉末。     

基于原子发射光谱的TiC等离子体沉积诊断

对通过磁过滤阴极真空弧(FCVA)获得的高密度、高离化率的等离子体进行诊断。为研究C2H2气流量对磁过滤阴极弧产生的等离子体的影响,采用原子发射光谱(OES)法对FCVA沉积过程中产生的Ti C等离子体进行诊断。利用Saha-Boltzmann方法对不同气流量下等离子体的参数进行计算,并对等离子体产生过程中的谱线强度随气流量变化的机制进行研究。结果表明,等离子体电离度较高,约为0.8左右且随气流量的变化不大;电子温度和电子密度分别在1×10~4～2×10~4K和10~(23)～10~(24)m~(-3)范围内变化,且随着气流量的增加呈现出先增大后减小的变化趋势;Ti粒子谱线相对强度随气流量的变化不大,表明Ti粒子大部分在阴极弧斑附近被离化。     

纵磁作用下真空电弧单阴极斑点等离子体射流三维混合模拟

真空电弧的特性直接受到从阴极斑点喷射出的等离子体射流的影响,对等离子体射流进行数值仿真有助于我们深入了解真空电弧的内部物理机制.然而,磁流体动力学和粒子云网格仿真方法受限于计算精度和计算效率的原因,无法有效地应用于真空电弧等离子体射流仿真模拟.本文开发了一套三维等离子体混合模拟算法,并在此基础上建立了真空电弧单阴极斑点射流仿真模型,模型中将离子作宏粒子考虑,而电子作无质量流体处理,仿真计算了自生电磁场与外施纵向磁场作用下等离子体的分布运动状态.仿真结果表明,单个阴极斑点情况下真空等离子体射流在离开阴极斑点后扩散至极板间,其整体几何形状为圆锥形,离子密度从阴极到阳极快速下降.外施纵向磁场会压缩等离子体,使得等离子体射流径向的扩散减少并且轴线上的离子密度升高.随着外施纵向磁场的增大,其对等离子体射流的压缩效应增强,表现为等离子体射流的扩散角度逐渐减小.此外,外施纵向磁场对等离子体射流的影响也受到电弧电流大小的影响,压缩效应随电弧电流的增加而逐渐减弱.     

Production of long,laminar plasma jets at atmospheric pressure with multiple cathodes

Plasma jets from conventional non‐transferred arc plasma devices are usually operated in turbulent flows at atmospheric pressure. In this paper, a novel non‐transferred arc plasma device with multiple cathodes is introduced to produce long, laminar plasma jets at atmospheric pressure. A pure helium atmosphere is used to produce a laminar plasma jet with a maximum length of >60 cm. The influence of gas components, arc currents, anode nozzle diameter, and gas flow rate on the jet characteristics is experimentally studied. The results reveal that the length of the plasma jet increases with increasing helium content and arc current but decreases with increasing nozzle diameter. As the gas flow rate increases, the length of the plasma jet initially increases and then decreases. Accordingly, the plasma jet is transformed from a laminar state to a transitional state and finally to a turbulent state. Furthermore, the anode arc root behaviours corresponding to different plasma jet flows are studied. In conclusion, the multiple stationary arc roots that exist on the anode just inside the nozzle entrance are favourable for the generation of a laminar plasma jet in this device.     

Plasma generation for the plasma cutting process

This study is an attempt to estimate the overall properties, viz. the thermal power and force, of an intense plasma jet produced by a plasma cutting torch, and to relate the properties of the plasma to the diameter of the nozzle of the plasma torch and the flow rate of plasma-forming gas. For cutting metallic plates using a thermal plasma, a narrow plasma jet is produced by means of a transferred electric are between an electrode in a plasma torch and the material to be cut. The power density and pressure exerted by the plasma jet on the material at the region of cut needs to be high so that a straight cut, without dress at the bottom of the plate, can be obtained. A simple theory to describe the behavior of the arc in a plasma cutting torch has been developed to predict the are radius, pressure, and arc voltage at the nozzle exit as a function of are current for a range of nozzle sizes and air flow rates. The results obtained are in good agreement with the measured values for an air plasma cutting torch nominally rated for 100-A operation. The relationships between the mass flow rate of plasma gas, plasma power, and arc force have been discussed in the light of design of plasma torches for plasma cutting     

层流等离子体射流温度与速度测量

本文分别应用光谱诊断、水冷皮托管及小尺寸杆状热流探针,对自由射入空气中的纯氩层流等离子体射流中心最高温度、滞止压力以及最大热流密度进行了测量,由测量结果导出了层流射流的中心最大速度,得到了射流气体温度和速度的轴向分布及其随工作电流和气流量变化的一些规律,探讨了气体的温度和速度对其向探针表面换热系数的影响。     

Numerical modelling of a direct current non-transferred thermal plasma torch for optimal performance

A laminar steady-state 2D axisymmetric model of a direct current (DC) thermal plasma torch using a magneto-hydrodynamic approach has been developed. The model takes into account the entire torch system comprising the plasma gas injection, the inner region of the torch, and the jet exiting into the ambient environment. Numerical results are obtained for two different power inputs chosen from published experimental data. The temperature predictions at the torch exit are found in good agreement with experimental results. Velocity analysis of the plasma jet has been presented and the impact of electromagnetic force on jet velocity is analysed. The Lorentz force arising due to the coupling of fluid motion and electromagnetic forces shoots up the jet velocity to significantly high values near the cathode tip. Temperature and velocity profiles are in good agreement with the characteristics of a long laminar plasma jet. An operating value of heat transfer coefficient (h) has been suggested for optimal torch operation, thus ensuring a low anode erosion rate and acceptable thermal efficiency. The argon torch has the maximum temperature and longest jet length among the plasma gases considered.     

一种新型大气压毛细管介质阻挡放电冷等离子体射流技术

介绍一种结构设计简单、操作运行方便的新型毫米量级大气压冷等离子体射流发生技术.这种射流可以在大气压条件下，利用多种工作气体(如Ar,He,N₂)，通过毛细管介质阻挡放电(DBD)的方式实现.使用频率为33kHz，峰值电压为1—12kV的双向脉冲电源，利用Ar,He,N₂等工作气体，在毛细管内形成了稳定的冷等离子体射流.放电区域的光辐射空间分布利用商用CCD摄像机记录，从中研究放电形态和空间分布，观察到了在DBD区域的流动气体放电和在毛细管出口处形成的等离子体射流 关键词： 冷等离子体射流 毛细管介质阻挡放电 射流射程 射流激发温度     

大气压直流氩等离子体射流工作特性研究

介绍了一种新型大气压直流双阳极等离子喷枪,并对其电特性参数和发射光谱进行了测量.通过对氩等离子体射流的电信号进行时域和频域分析,研究了载气流量和弧电流的变化对射流脉动的影响,结果表明氩等离子体电弧的伏安特性呈上升趋势,射流脉动属于接管模式,电源特性中的交流分量引起的电压波动是影响氩等离子体射流脉动的主要因素. 通过光谱法测量了氩等离子体射流在弧室内和弧室出口的发射光谱,利用玻尔兹曼曲线斜率法计算了射流的激发温度,根据Ar I谱线的斯塔克展宽得到了射流的电子密度,并对等离子体射流满足局域热力学平衡(LTE) 关键词： 等离子喷枪 射流脉动 激发温度 局域热力学平衡