减压直流电弧等离子体发生器近阳极区边界层特性研究

With the development of non-transferred arc plasma torch operating at reduced pressure, which has wide application in material processing, as the research background, this project plans to study systematically the thermodynamic and chemical nonequilibrium characteristics of anode boundary layer within the plasma torch using the argon, argon-nitrogen, argon-hydrogen as working gases by means of combined numerical and experimental methods. The modeling will take into account the thermodynamic and chemical nonequilibrium phenomena existing in the plasma torch, develop the physical and mathmatic model used to describe the physical process inside plasma torch, build the plasma property database of commonly used plasma-forming gas at large temperature and pressure ranges, improve the numerical method combined experimental results. The project will investigate systematically the effects of flow rate, gas type, arc current, pressure and geometry size on the characteristics of anode boundary layer within the plasma torch, and study the relations between the movement and diffusion mechanism of charged particles within the boundary layer with attachment mode of arc root at the anode. The project will obtain the systematic numerical and experimental results within plasma torch operated with large pressure ranges, deep our understanding on the physical process in the plasma torch. The project will also be helpful to provide a reference for optimization design and adjusment operating parameters of plasma troch and promote the development of revelant technologies.

本项目以在材料加工领域有广泛应用前景的减压直流电弧等离子体发生器的研制为研究背景，采用数值模拟和实验研究相结合的方法，系统研究以氩、氩-氮、氩-氢为工作气体的减压直流电弧等离子体发生器内部近阳极区边界层的热力学和化学非平衡特性。数值模拟中将针对等离子体发生器内存在的热力学和化学非平衡现象，发展完善用于描述减压等离子体发生器内部过程的物理数学模型，建立发生器常用工作气体及其混合物在较大温度、压力范围内的等离子体物性数据库，结合实验测量结果完善数值模拟方案。系统研究气体流量、种类、弧电流、环境压力和发生器结构尺寸对等离子体发生器内阳极边界层特性的影响，并在此基础上细致考察阳极边界层内带电粒子的运动扩散机制与电弧贴附方式之间的联系。将获得广阔压力范围内等离子体发生器系统性的数值模拟和实验结果，加深对其内部物理过程的理解，为发生器设计优化、状态参数调整提供参考依据，促进相关技术的应用。

本项目以直流电弧等离子体非平衡等离子体流动与传热为背景，采用数值模拟和实验研究相结合的方法，系统地研究了以氢、氮及氢-氮混合物为工作气体的等离子体流动边界层内热力学和化学非平衡特性。在研究过程中，提出了化学动力学过程选择的准则和方法，并在此基础上发展了合理自洽的化学非平衡模型。根据发生器内等离子体流动的特点，提出了确立流动边界层、传热边界层的方法，可以更加合理评估发生器内等离子体流动、传热和非平衡状况及其与发生器性能的关系。研究表明，在发生器下游和边界层内存在着明显的偏离热力学和化学非平衡的情况。在电弧中心区和在电弧贴附区电子产生率为正，而在边界层内电子产生率为负，说明电流的导通主要依靠电子向阳极的扩散。由于边界层内气体温度较低，因而电子与分子组分的非弹性碰撞是电子能量损失的重要途径。 在综合考虑化学动力学、温度梯度、压力梯度驱动力的基础上，发展了自洽的等离子体多组分扩散处理方法，对各种组分的分布特性和演化过程进行了系统的研究。研究表明对于氮氢混合物，解离和电离是组分分离产生的主要原因，氢组分通常富集在电弧的中心因而成为电能转化为气体热能的主要载体，而在电极附近氢组分的富集主要是由于较低的复合温度而导致，氢组分在阳极附近复合释放的热量是电极烧蚀的主要原因。本项研究加深了对电弧等离子体热力学与化学非平衡流动、组分扩散过程的了解，有助于促进相关的技术应用。