文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123605
阴极形状对等离子弧和射流的影响
张东青1,张辉2,郑丽丽1*,梁斌1
(清华大学航天航空学院1,工程物理系2,北京 100084)
(*Tel: 010-62797961, Email: ******@tsinghua.)
摘要等离子喷枪内电弧形成及其等离子火焰的结构和特性对等离子喷涂涂层的质量有重要的影响。本文研究阴极形状对等离子弧和射流火焰的影响,采用数值模拟方法,对等离子喷枪内的流动与换热进行三维稳态模拟。三种阴极形状等离子喷枪的模拟结果显示,与圆锥形阴极尖端相比,圆弧形阴极尖端对应的等离子弧长拉长,等离子射流火焰在喷嘴出口的温度降低、速度减小、温度场和速度场的轴对称性增强,速度场的扰动减小。
关键词等离子喷枪;等离子弧;等离子射流火焰;数值模拟
0 前言
等离子喷涂过程被广泛用于制造功能性涂层如用于发动机叶片等部件在高温腐蚀环境的热防护涂层。用于涂层的粉末材料被引入高温等离子射流火焰中,与射流火焰进行动量、能量的交换,被加热加速后撞击在被涂的衬底上形成涂层。可见等离子射流火焰的特性将直接影响喷涂粉末粒子在撞击衬底时的状态乃至涂层结构和特性,获得高质量涂层或者研制新型涂层有必要理解等离子弧与射流火焰的形成及其特性。
早期的研究主要基于传统的试验法,如Wutzke[1]对等离子弧开展了比较细致的实验研究,通过实验监测电压在等离子喷枪运行过程中的变化,分析电压扰动的形式,归纳出直流等离子喷枪具有三种主要的操作模式:稳态模式、往复模式和再击穿模式。由于对等离子喷枪内电弧实验观测的局限性,无法真正了解其结构和特性,因而近年来很多工作借助于理论和数值模拟方法。
等离子喷枪结构复杂,等离子弧与射流火焰的形成是电磁场与流动、传热和化学反应综合作用的结果,如何建立能准确描述等离子弧与射流火焰的理论和数值模拟方法成为首要解决的问题。Paik等人[2]对圆锥形阴极和阳极喷嘴之间的层流非转移弧开展了二维稳态数值模拟,使用Steenbeck最小弧电压原理[3]确定阳极表面弧根位置,计算结果表明非转移弧模式下阳极弧根位置对等离子体流动有重要的影响。李和平等人[4]对直流等离子层流非转移弧开展了三维稳态数值模拟,计算结果显示即便使用几何上轴对称的等离子喷枪结构和外部环境条件,产生的等离子体的流场和温度场具有明显的三维特性。Baudry等人[5]进一步对直流等离子喷枪开展三维瞬态的数值模拟,通过初始时在阴极和阳极之间给定高温气柱实现数值上起弧,模拟得到在再击穿模式下工作的直流等离子喷枪中阳极弧根的运动、弧电压以及流场随时间的变化[5]。Trelles等人采用多尺度有限
基金项目:国家自然科学基金资助项目(51076075)
元方法,建立了模拟等离子喷枪的三维瞬态数值模型,对于电极附近鞘层区,人工给定高电导率,保证电流的导通[6],研究了直流等离子喷枪中等离子弧的运动过程[7, 8]。
上述研究,建立了较为完善的描述等离子弧与射流火焰形成的数值模拟理论。但对于等离子喷枪系统,如何设计喷枪部件及电极结构,从而获取稳定、低能耗、利于取得均匀粒子分布的等离子喷枪,还缺乏研究。本文将使用数值模拟方法,针对直流等离子喷枪,研究阴极尖端形状变化对等离子弧及射流火焰结构和特性的影响。
1 物