電弧等離子體具有高溫、高焓和高化學(xué)活性的特點,廣泛應(yīng)用于噴涂、金屬切割、焊接、冶金、化工、廢物處理等許多工業(yè)領(lǐng)域。電弧與電極邊界具有非常復(fù)雜的物理機(jī)制,實際測量非常困難,而數(shù)值模擬恰好是理解電弧放電過程的一種有效手段。本文基于現(xiàn)有電弧等離子體弧柱、近陰極區(qū)和近陽極區(qū)的模型,包括弧柱的雙溫和化學(xué)非平衡模型、鞘層/預(yù)鞘層和Knudsen層(努森層)的一維建模以及弧柱耦合鞘層模型,進(jìn)一步分析了電弧內(nèi)部近電極區(qū)與弧柱之間在電流密度、粒子密度、電子溫度、以及能量通量等重要參數(shù)上的耦合關(guān)系,建立了電弧等離子體陰極-近陰極區(qū)-弧柱-近陽極區(qū)-陽極的全域耦合物理模型,將計算結(jié)果與實驗結(jié)果和原有模型計算結(jié)果進(jìn)行了比較;利用所建立的模型對整個電弧等離子體放電區(qū)域進(jìn)行研究,得到了一些有意義的研究結(jié)果。1)首先建立了弧柱-陰極耦合模型:弧柱采用化學(xué)平衡的雙溫模型,近陰極區(qū)的鞘層和預(yù)鞘層采用一維建模,在近陰極區(qū)的能量平衡中考慮了電子和重粒子熱傳導(dǎo);在弧柱-陽極耦合模型中,將考慮了化學(xué)非平衡的弧柱與陽極鞘層直接耦合,在陽極鞘層中考慮了正負(fù)鞘層壓降下離子和電子不同的運(yùn)動機(jī)制。在上述模型基礎(chǔ)上,對弧柱模型進(jìn)一步改進(jìn),...

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【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

圖１．１兩種典型的電弧等離子體發(fā)生器，（ａ）轉(zhuǎn)移型；（ｂ）肖瞞移型

物理過程有一個清晰的認(rèn)識。??１．２電弧放電中的物理過程??如圖１．２所示，電弧等離子體放電區(qū)域主要由近電極區(qū)（近陰極和近陽極）??和弧柱區(qū)組成［２Ｗ４］�；≈鶇^(qū)域是電弧的主體，在大電流或高強(qiáng)度電弧的弧柱中心??區(qū)域，等離子體經(jīng)常處于局域熱力學(xué)平衡（ＬＴＥ）狀態(tài)。近電極區(qū)域是電極....

圖１．３近陰極層物理結(jié)構(gòu)示意圖｜ｌｔＭ｜??

根據(jù)這一順序，近陰極層可以被分為很多個子區(qū)域，每個子區(qū)域都由一個特??定的尺度及其相關(guān)的主導(dǎo)物理過程來定義。陰極表面第一個子層的厚度為德拜長??度的量級，且位于圖１．３中０＜ｘ＜ｌＤ的區(qū)域。此區(qū)域內(nèi)局部電荷的準(zhǔn)中性是??不成立的，第一個子層稱為空間電荷層或者鞘層。對于大氣壓電弧來....

圖１．４典型的近陽極區(qū)模型??

近陽極區(qū)的結(jié)構(gòu)和近陰極區(qū)比較相似，都含有鞘層、預(yù)鞘層。近陽極區(qū)的物??理模型研宄始于上世紀(jì)七八十年代，至今已較為完備。典型理論模型ｌ３７，４Ｑ］將近陽??極區(qū)分為陽極鞘層、電離層、熱擾動層三個區(qū)域（如圖１．４所示，注意克努森層??在陽極也是存在的，這里不做特別說明），其中：．??....

圖１．５?（左）自由燃燒弧計算域；（右）數(shù)值模擬與實驗結(jié)果對比１４４１??

自２０世紀(jì)八十年代以來，電弧熱等離子體的數(shù)值模擬得到了快速的發(fā)展。??Ｈｓ＃３，４＾等人在１９８３年首先利用磁流體力學(xué)（ＭＨＤ．）方程組，對氬氣自由燃燒??弧的弧柱進(jìn)行了二維數(shù)值求解，計算結(jié)果與實驗測量的結(jié)果相當(dāng)吻合（見圖１．５），??驗證了物理模型、物性參數(shù)的合理性。＇??一?....

本文編號：3895172