湍流等离子体射流引射特性的实验的研究.pdfVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：073054 湍流等离子体射流引射特性的实验研究木 胡晓亮1王海兴1孟显2陈熙3潘文霞2汤海滨1 3．清华大学工程力学系，北京100084) Tel．010 E-mail：whx@buaa．edu．cn 摘要本文采用多孔壁引射控制罩，对湍流等离予体射流的引射特性进行了实验研究。研究结果表 明，随着入口处氩等离子体射流流量的增加，被引射气体的流量也随之增加。引射量还随着射流引射 控制罩长度的增力¨而增加；在较高流量下，等离子体发生器的弧电流对射流引射量的影响较小。本文 还分别以氧气和空气作为被引射气体，对湍流等离子体射流的引射特性进行了比较研究。 ● 关键词热等离子体；湍流射流；引射特性；实验研究 1引言 等离子体冲击射流常用于热障涂层的制备、金属表面的重熔硬化以及不锈钢表面的 熔覆等。在空气环境中利用氩等离子体射流进行材料加工，如进行涂层制备或金属材料 的熔凝、熔敷时，环境空气会被引射进入材料的加j一区域，空气中的氧可能会使材料(尤 其是金属材料)氧化，被喷涂的材料或者：C件材料的氧化往往对加工效果有不利影响。 过度的氧化往往是人们所不希望看到的。过去虽然已有大量的关于等离子体射流的理论 利实验研究结果发表，但是人们对等离子体射流引射特性的认识还不够深入完整l{J。 文献[2，3]对室温条件’F，冷气体射流的引射特性进行了实验研究。实验中采刚仔细 设计的多孔壁射流引射控制罩方法直接测量了湍流气体射流对环境气体的引射量。研究 结果表明射流引射量随着距射流入口距离的增加近似线性增加。通过对不同种类气体的 射流引射量的测量，获得了如卜．关系式 出 D。lpnJ 争舷]l，2 式中聊是距射流入口的轴向距离为x处，射流截面上的轴向质量通量：川a，功和风分 别是射流入口处的气体质量流量、直径和气体密度。成是被引射环境气体的密度。C 为引射系数。研究结果表明引射系数在射流入口附近为O．1，在湍流射流的充分发展区， 引射系数为常数O．32。 对于温度为万度最级的高温部分电离气体(热等离子体)条件下的湍流利层流自由 与冲击射流对环境空气的引射特性研究，要比常温气体条件F复另宰得多。已有许多研究 +国家自然科学基金资助项目(Nos10405015 1554 者对等离子体自由射流与冲击射流特性进行了大量的实验与数值模拟研究。然而，大多 数有关等离子体射流特性的研究结果常以射流中的温度分布、速度分布和浓度分布的形 式给出，虽然这些等离子体参数的空间演化主要是由于射流引射环境气体引起的，因而 与等离子体射流对环境气体引射量的轴向变化特性相联系，但仅从这些结果并不能清晰 地了解等离子体射流对环境气体的引射规律。为此，本文采用实验研究的方法，对湍流 等离子体射流引射量进行直接测量，考察大气压下湍流等离子体射流的引射特性。 2实验方案 在本文研究中，等离子射流引射量的测量采用与文献[2，3】相类似的带有多孔壁的射 流引射控制罩的方法进行。原理如下：如果不供给被引射气体(空气、氮气等)或供气 量偏小时，则控制罩内的气体压力低丁环境气压；而如果供给的被引射气体的流量过大， 则控制罩内的气体压力高于环境气压：在供给的被引射气体流量合适时，控制罩内压力 与环境气压力相等，此时供给的被引射气体的流量应等于射流的引射量。 图l实验装置简图 图2控制罩开口角度对测量压差的影响 图1给出了实验的装置简图。实验中采用中科院力学所设计的等离子体发生器，发 生器的出口直径为8mm，工作气体为氩，产生的湍流等离子体射流直接进入引射控制 罩内。控制罩内安装有与射流中心轴线同轴的，由多层金属滤布组成的多孔壁以供给流 量可以控制和测量的被引射气体，并保证被引射气体向射流区流动的均