直流电弧等离子体双温度化学非平衡数值模拟.PDF

第 31 卷 第 2 期 核 聚 变 与 等 离 子 体 物 理 Vol.31, No.2 2 0 1 1 年 6 月 Nuclear Fusion and Plasma Physics June 2011 文章编号：0254−6086(2011)02−0186−07 直流电弧等离子体双温度化学非平衡数值模拟 钱海洋，吴 彬 (中国科学院力学研究所等离子体与燃烧中心，北京 100080) 摘 要：采用二维轴对称双温度化学非平衡(2T-NCE)模型，模拟了带有水冷约束管的大气压直流电弧氩等 离子体发生器。得出了不同工作参数下等离子体中电子温度、重粒子温度的变化关系，表明直流电弧等离子体有 很强的非平衡特性，且变化规律十分明显。 关键词：大气压；直流电弧；双温度；化学非平衡 中图分类号：O539 文献标识码：A 1 引言 流量大于 0.2g⋅s−1 时贴附形式为扩散型，小于 0.02 近年来，随着等离子体技术在实验及工业应用 g⋅s−1 时为约束型，当气流量在这两者之间时电弧在 中的发展，针对大气压直流电弧等离子体的研究成 物理上是不稳定的。同时，他们还计算了不同气流 为目前等离子体研究的热点之一。直流电弧等离子 量下阳极热通量的变化情况，得出阳极热通量随气 体属热等离子体区别于冷等离子体的基本特征就 流量的变化而变化。Park 和 Heberlein 等人[2]采用双 是电子温度与重粒子温度相近，这使得等离子体处 温度化学非平衡 (2T-NCE)模型模拟了不包含水冷 于局域热力学平衡(LTE)状态。但是，许多实验及 约束管在内的近阳极区域，同时考虑了近阳极区的 研究结果表明，直流电弧等离子体并非都处于 LTE 化学反应及组分扩散。结果验证了近阳极区等离子 状态。如在远离电弧核心的边缘处、阴极阳极材料 体存在非平衡现象，并且得到了化学非局域平衡条 表面，等离子体可能偏离 LTE 状态，出现电子温度 件下阳极边界层的厚度大约是化学局域平衡条件 远高于重粒子温度的现象，这部分等离子体处于非 下的一倍。 局域热力学平衡(NLTE)状态。 本文采用双温度-化学非平衡模型研究在大气 受制于测量等离子体参数的技术手段，对直流 压环境下带有水冷约束管的直流电弧氩等离子体 电弧的实验研究目前还未取得权威的、准确可靠的 的非平衡特性。 结果。因此，多采用数值模拟的方法对等离子体的 非平衡特性进行研究。但是，目前国内外还没有一 2 直流电弧等离子体的数值模型 个统一的模型，各国研究者都在自己研究工作的基 数值模拟的实验装置如图 1所示。此装置是中 础上得到了不同的合理的结果。Amakawa 和 Jenista 心轴对称的，二维轴对称计算区域如图2所示。 等人[1]模拟了双温度 LTE 模型在阳极区传热的情 2.1 基本假设 况，给出了电弧在阳极上的两种贴附形式(扩散型与 根据对直流电弧等离子体的物理性质、化学反 约束型) ，并与实验结果进行了对比。他们发现在气 应和流动过程的分析，模型所采用的基本假设为： (1) 等离子体是连续、理想牛顿流体；(2) 等离子体 收稿日期：2010−07−05 ；修订日期：2010−10−20 基金项目：国家自然科学基金资助项目(10375