减压直流等离子体电弧与射流波动特性及其相关性研究

电弧与射流的非定常波动严重影响了直流电弧等离子体材料工艺的可控性和可重复性，限制了其在某些对精度和质量有严格要求的领域应用。申请人前期研究发现，采用具有中间段和突扩阳极的等离子体发生器，可在减压条件下获得体积大、稳定性好、功率密度分布可调范围大的非转移式层流电弧等离子体射流。对这种等离子体发生器内的电弧与射流波动特性的初步实验研究表明，其波动产生和传播机理可能异于常规的热等离子体，其中气动力与电磁力的耦合作用机理有待深入研究。本项目拟通过系统的实验观察和理论分析，进一步全面地表征减压非转移直流电弧等离子体电弧与射流的波动特性，研究其产生、传播机理，深化对电弧等离子体射流产生过程中电弧、射流的波动行为与发生器通道结构、气体物性参数和流场、电极表面状况等因素相关性方面的认识，探讨进一步抑制电弧、射流波动的方法，为提高热等离子体射流稳定性提供参考依据，从而有效推进相关应用技术的发展。

本项目研究旨在深化对具有电极中间段和突扩阳极结构的减压直流非转移电弧等离子体发生器中电弧以及射流波动特性与发生器通道结构、气体物性参数和流场、电极表面状况等因素的相关性的认识；深入理解通道中复杂气动力与电磁力耦合作用机理以及其对电弧/射流波动特性的影响规律；为等离子体发生器中波动的抑制提供参考依据，进一步改善减压热等离子体射流的稳定性，从而有效推进相关应用技术的发展。.项目实施过程中，按照计划书预定的研究内容，从理论分析、数值模拟和实验研究几方面开展了工作。通过理论分析和数值模拟，进一步理清了减压直流等离子体射流热雍塞导致的跨声速流动对射流波动特性的影响机理，阐明了电磁力、气动力对电弧/射流波动的波动源的影响和波动耦合/作用机理。在此基础上，进一步分析了提高热等离子体稳定性的可能方案。在实验研究方面，通过发生器结构设计、实验设计，使难以观测的波动量易于测量。同时，发展了成系列的电弧/射流波动诊断方法，对电弧波动特性进行了系统表征。此外，还基于电弧波动特性，发明了特征信号测速方法，为热等离子体特性的测量提供了新的思路。.本项目在上述多方面取得了重要进展，为把握减压条件下的等离子体射流波动特性和参数变化规律提供了数据积累，为高可控的等离子体材料制备工艺方案设计提供了参考依据。项目研究成果发表在相关学术刊物上，并受邀多次做国际会议邀请报告。