直流等离子喷枪内电弧和射流行为的三维非稳态模拟

论文摘要

以磁流体力学为基础,基于局域热力学平衡假设,建立三维非稳态的湍流模型,运用计算流体力学软件ANSYS CFX模拟了氩／氢等离子喷枪内电弧根的再附着过程、电弧与气流的相互作用以及电弧波动对等离子体温度和速度分布的影响,并探讨了工艺参数与喷嘴几何尺寸对电弧波动和等离子体温度和速度的影响,以探索等离子喷涂过程中优化工艺参数与喷嘴的结构来控制电弧波动的途径。计算结果表明,在冷气流的推动下,阳极弧根向喷嘴下游移动,电弧被不断拉长,电弧电压升高,电场强度增大。当弧根继续向下游移动至电场强度足够大时,电弧发生击穿并瞬间形成新的弧根。以后,电弧又不断变形、运动,直至某点处又发生击穿。上述过程不断重复,电弧电压随时间出现周期性变化,并且喷枪内电弧的波动导致了喷枪出口处等离子体温度和速度的波动。喷枪内外等离子体的流动与传热均具有明显三维特征,并且速度分布的三维特征比温度分布更明显。当电流500A、氩气50slm、氢气9slm时,计算得平均电弧电压为53.4V,波动频率为9.25kHz,喷枪出口等离子体平均最高温度为20622K,平均最大速度为1680m/s。各工艺参数对电弧电压与等离子体温度和速度的影响不同。氢气流量对电弧电压的影响最大,氩气流量次之,电流的影响最小。但是,电流对等离子体温度和速度的影响最大,氢气流量次之,氩气流量影响最小。当电流较小时,增大电流,电弧缩短,平均电弧电压减小,波动频率升高。当电流大于600A时,增大电流对电弧波动影响不明显。此外,增大电流可以明显地提高喷枪出口处等离子体的温度和速度。增加氩气流量或增加氢气流量均使得电弧增长,平均电弧电压增大,波动频率降低。但是,增大氩气流量时,等离子体温度变化很小,速度明显增大,而增加氢气流量,等离子体的温度和速度均明显增大。喷嘴几何尺寸对电弧电压与等离子体温度和速度的影响不同。孔道长度对电弧电压基本没有影响,喷嘴压缩角的影响最大,张开角次之,孔径对其的影响小于张开角。但是,孔径对等离子体温度和速度的影响最大,张开角次之,接着是压缩角,孔道长度的影响最小。增加孔道长度,电压基本不变,波动频率升高,而等离子体的温度和速度随着孔道长度的增加先增大后减小,当孔道长度为9.1mm时达到最大；孔道直径增大时,电弧柱缩短,平均电弧电压减小,波动频率降低,等离子体的温度和速度均明显降低；增大喷嘴压缩角或增大张开角均使得电弧柱缩短,平均电弧电压减小,波动频率升高,等离子体的温度和速度也降低。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 电弧和等离子体的定义及气体放电
• 1.2.1 电弧和等离子体
• 1.2.2 气体放电
• 1.3 等离子喷枪内电弧模拟
• 1.3.1 电弧电压波动模式
• 1.3.2 等离子喷枪内电弧的稳态模拟
• 1.3.3 等离子喷枪内电弧的非稳态模拟
• 1.4 等离子体流动传热与特性分布模拟
• 1.4.1 喷枪内等离子体流动与传热模拟
• 1.4.2 喷枪出口处等离子体特性分布模拟
• 1.5 研究内容与研究意义
• 1.5.1 研究内容
• 1.5.2 研究意义
• 第二章 数学模型与数值计算方法
• 2.1 数学模型描述
• 2.1.1 基本假设
• 2.1.2 控制方程组
• 2.1.3 计算域和边界条件
• 2.1.4 等离子体的热力学参数和输运系数
• 2.2 数值计算方法
• 2.2.1 有限体积法
• 2.2.2 SIMPLE算法
• 2.3 计算流体力学软件—ANSYS CFX
• 2.3.1 ANSYS CFX的基本结构
• 2.3.2 ANSYS CFX的功能和特点
• 2.3.3 数值模拟过程
• 第三章 喷枪内电弧波动行为与等离子体特性的模拟
• 3.1 等离子喷枪内电弧波动行为
• 3.1.1 电弧电压随时间的波动
• 3.1.2 电弧根的再附着过程
• 3.2 喷枪内等离子体特性和电场特性分布
• 3.2.1 喷枪内电场特性分布
• 3.2.2 喷枪内等离子体特性分布
• 3.3 喷枪出口处等离子体特性分布
• 3.3.1 喷枪出口处等离子体特性随时间的波动
• 3.3.2 喷枪出口处等离子体特性分布
• 3.4 本章小结
• 第四章 工艺参数对电弧波动行为与等离子体特性的影响
• 4.1 电弧电流对等离子喷枪特性的影响
• 4.1.1 电弧电流对电弧根波动的影响
• 4.1.2 电弧电流对电弧电压波动的影响
• 4.1.3 电弧电流对喷枪出口处等离子体特性的影响
• 4.2 氩气流量对等离子喷枪特性的影响
• 4.2.1 氩气流量对电弧根波动的影响
• 4.2.2 氩气流量对电弧电压波动的影响
• 4.2.3 氩气流量对喷枪出口处等离子体特性的影响
• 4.3 氢气流量对等离子喷枪特性的影响
• 4.3.1 氢气流量对电弧根波动的影响
• 4.3.2 氢气流量对电弧电压波动的影响
• 4.3.3 氢气流量对喷枪出口处等离子体特性的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 喷嘴结构和尺寸对电弧波动行为与等离子体特性的影响
• 5.1 孔道长度对等离子喷枪特性的影响
• 5.1.1 孔道长度对电弧根波动的影响
• 5.1.2 孔道长度对电弧电压波动的影响
• 5.1.3 孔道长度对喷枪出口处等离子体特性的影响
• 5.2 孔道直径对等离子喷枪特性的影响
• 5.2.1 孔道直径对电弧根波动的影响
• 5.2.2 孔道直径对电弧电压波动的影响
• 5.2.3 孔道直径对喷枪出口处等离子体特性的影响
• 5.3 压缩角对等离子喷枪特性的影响
• 5.3.1 压缩角对电弧根波动的影响
• 5.3.2 压缩角对电弧电压波动的影响
• 5.3.3 压缩角对喷枪出口处等离子体特性的影响
• 5.4 张开角对等离子喷枪特性的影响
• 5.4.1 张开角对电弧根波动的影响
• 5.4.2 张开角对电弧电压波动的影响
• 5.4.3 张开角对喷枪出口处等离子体特性的影响
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文