直流电弧阳极贴附机理研究

The electrode ablation of DC plasma torch is the key problem to limit its applications in wider and higher precision requirement fields, though these kinds of high energy beam sources have the advantages of simple devices, high energy conversion rates and low operating costs. The arc attaches at the surface of the water-cooled anode with an extremely high current density, concentrated mode, which is the fundamental reasons leading to electrode ablation, the plasma flow being contaminated by the electrode material, and affecting the arc stability and service life of plasma torch. This project takes the argon/hydrogen, argon/nitrogen mixtures plasma arc as the research objects, intends to study the relations between the arc attachment modes and operating parameters, electrode materials, surface temperature of electrode, micro-physical processes inside anode boundary layer, through the experimental measurement, theoretical analysis and numerical simulation. This study plans to measure the gas temperature, electron temperature, electron number density, and electric potential distributions inside anode boundary layer; analyze the relations between species transport, energy exchange, the chemical kinetic processes and evolutions of species excitation, dissociation, ionization, and recombination and the arc attachment modes; develop the chemical kinetic model inside anode boundary layer and numerical simulation methods to couple the cathode and anode, which can be used in the multi-space, multi-time scale, multi-physics processes nonequilibrium modeling for the plasma flow in plasma torch; provide scientific basis for the design of high reliability and long service life plasma torch which can be operated in wide parameters range.

直流电弧等离子体发生器的电极烧蚀问题，是限制这类设备简单、能量转换率高、运行成本低的高能流束源向更宽更高精度要求的应用领域拓展的关键。电弧在水冷阳极表面以极高的电流密度集聚贴附，是造成电极烧蚀，等离子体流被电极材料污染，同时影响电弧稳定性和发生器使用寿命的根本原因。本项目以氩氢/氩氮直流电弧为研究对象，拟通过实验检测、理论分析和数值模拟，研究电弧阳极贴附模式与运行参数、电极材料、电极表面温度、阳极边界层内微观物理过程之间的关联。实验诊断电弧近阳极区的气体温度、电子温度、电子数密度、电势分布；分析电弧近阳极区组分输运、能量交换以及激发、解离、电离、复合等动力学过程及演化规律与贴附模式的关联；发展电弧阳极边界层内动力学模型，探讨耦合阴极、阳极、电弧全场的多空间和时间尺度以及多物理场非平衡过程数值模拟方法，为新型长寿命高稳定性宽功率范围的发生器优化设计提供科学的参考依据。

直流电弧阳极贴附模式是影响在航空航天、材料加工等领域有着广泛应用的电弧等离子体发生器性能与寿命的关键问题，本项目围绕直流电弧阳极贴附机理研究开展了系统的理论分析、数值模拟和实验研究，深化了对影响直流电弧阳极贴附模式的关键物理过程和规律的认识。①发展了能够合理描述近阳极区电弧非平衡过程的物理模型，可以通过数值模拟自洽获得电弧的集聚型和扩散型电弧贴附模式；阐明了组分、电流密度、热流密度以及洛伦兹力分布变化导致阳极电弧贴附模式变化的机理，获得了不同条件下电弧贴附的特征与规律。②开展了电弧向阳极传热研究，分析了电弧阳极热流的主要组成以及阳极结构对电弧贴附模式的影响机制；获得了阳极表面凸起结构、电场效应和烧蚀效应对阴极射流和阳极射流的竞争关系、电弧阳极贴附模式的影响机制。③开展了电弧阳极贴附模式以及电弧动态行为的观测与实验分析，获得了不同结构和运行参数对电弧贴附模式以及电弧的动态特征；发展了电弧温度在线测量方法，实现了氩氮混气电弧以及氮气电弧的温度测量，获得了电弧再击穿周期内温度分布的动态演化规律。④发展了耦合电极过程的电弧非平衡物理模型，能够预测发生器内包含阴极和阳极的电弧行为和特征，比较了纯钨阴极、均匀钍钨阴极和非均匀钍钨阴极三种阴极材料对电弧特性的影响。采用三维数值模拟实现了弧根在阳极表面的周期性运动仿真，分析获得了电弧特性参数演化规律并提出了基于焦耳热-电离不稳定机制的再击穿机理；⑤针对电弧结构对电弧阳极贴附模型开展了实验研究，实验结果表明提出的环台型阳极能够改变电弧的阳极贴附模式，采用气膜方法可以有效抑制电弧对阳极的烧蚀。在此基础上，结合气动分散、中间段以及气膜保护的思路设计了新型直流电弧等离子体发生器。项目研究在电弧阳极区非平衡过程、电弧动态贴附行为及特征、直流电弧等离子体发生器设计等几个方面取得了新的认识和重要进展，推动了热等离子体技术和应用的发展。