同轴等离子体发生器电弧运动轨迹的数值分析和计算

论文摘要

电弧等离子体因具有高温、能量密度大、环保等优点,在工程中具有广阔的应用前景。但其不足之处是横截面积小,加热面积小且温度不均匀。因此,基于电弧具有良好的导电性,工业上利用外加轴向磁场驱动电弧旋转是一种获得大面积均匀电弧的实用手段。在电弧旋转过程中,高温电弧对电极很强的烧蚀作用,而电极的烧损会影响到等离子体发生器的寿命。磁旋转发生器中电弧旋转速度作为影响电极传热的关键因素,是该类技术或产品的重要指标。因此,对电弧旋转速度的研究具备重要的理论意义和工程价值。本文研究了同轴等离子体发生器电弧运动轨迹和旋转速度的数值计算方法。根据电弧的通道模型,计算了电弧的弧柱半径。基于电极产生的电场分布,研究了电弧等离子体的运动轨迹,最后采用电弧的刚体模型分析电弧的旋转运动,根据电弧稳态旋转时电磁力矩和流体阻力力矩相平衡条件,建立了电弧稳态旋转的数学模型,然后采用禁忌搜索算法计算电弧稳态旋转速度。数值计算结果表明粒子的空间运行轨迹为近似平面的抛物线以阴极为对称轴旋转形成的空间迹线。此外,实验结果证明了理论工作的有效性和正确性,为工程分析和设计提供了理论依据。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的应用背景及意义
• 1.2 磁旋转发生器电弧旋转速度的研究现状
• 1.3 磁旋转发生器电弧等离子体的研究发展趋势
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 同轴等离子体发生器电磁场的分析和计算
• 2.1 引言
• 2.2 时变电磁场的基本方程和特性
• 2.3 静态电磁场的位函数及其满足的微分方程
• 2.3.1 静电场的位函数及其满足的微分方程
• 2.3.2 恒定磁场的位函数及其满足的微分方程
• 2.4 有限元法
• 2.4.1 有限元法基本思路
• 2.4.2 二维有限元方程
• 2.5 电磁场数值计算的有限元软件ANSYS
• 本章小结
• 第3章 弧柱半径的分析与计算
• 3.1 引言
• 3.2 等离子体的定义、基本特点和产生方法
• 3.3 同轴式电弧等离子体发生器的结构
• 3.4 弧柱物理基本理论
• 3.4.1 埃伦巴斯—海勒方程
• 3.4.2 弧压最小值原理
• 3.4.3 通道模型
• 3.5 计算电弧参数的其它方法
• 本章小结
• 第4章 等离子体平面运动轨迹的数值分析与计算
• 4.1 引言
• 4.2 等离子体的理论描述和数值计算方法
• 4.2.1 理论描述方法
• 4.2.2 数值计算方法
• 4.3 同轴等离子体发生器电弧运动轨迹的数值分析与计算
• 4.3.1 电弧电流的形成过程
• 4.3.2 电弧运动轨迹的数值分析与计算
• 本章小结
• 第5章 磁旋转同轴等离子体发生器电弧稳态旋转运动的计算
• 5.1 引言
• 5.2 电弧稳态旋转运动的数学模型
• 5.3 电弧稳态旋转速度的计算
• 5.4 禁忌搜索算法
• 5.4.1 禁忌搜索算法的基本原理
• 5.4.2 禁忌搜索算法的特点
• 5.4.3 禁忌搜索算法的几个重要因素
• 5.4.4 禁忌搜索算法的基本步骤
• 5.5 数值积分法
• 5.6 电弧稳态旋转速度计算的算法设计
• 本章小结
• 第6章 计算实例
• 6.1 引言
• 6.2 计算的实际模型
• 6.3 氮气等离子体电弧弧柱半径的计算
• 6.4 氮气等离子体电弧平面运动轨迹的计算
• 6.5 电弧电磁力矩的计算
• 6.6 氮气电弧稳态旋转速度的计算
• 本章小结
• 全文总结与展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文