热非平衡等离子体传热与流动特性的数值模拟与实验研究

热等离子体中的非热平衡、非化学平衡及传热与流动特性是关系到许多等离子体材料加工与处理的工艺能否最终实现的关键。本项目采用实验测量与数值模拟相结合的手段，对H-C-Ar气体体系电弧热非平衡等离子体中的热力学与输运性质、传热与流动以及它们之间的相互关系进行系统、深入地研究。研究内容主要包括：建立描述热非平衡等离子体特性的基本控制方程和相应的边界条件；研究热非平衡等离子体核心区域的热力学与输运性质及其对等离子体传热与流动特性的影响；研究热等离子体边缘区域(包括与热阴极、阳极、固体冷壁面及冷气体结合的界面)的非平衡特性及其对传热与流动等影响；探索非平衡等离子体中及冷界面附近C-H自由基的形成及其与等离子体非热平衡特性之间的关系；获得热非平衡等子体热力学与输运性质、等离子体边界区域非平衡特性及对等离子体传热流动特性影响的机制。这一研究工作的开展对拓展热非平衡等离子体特性的基础研究及其应用具有重要意义

本项目开展了有关描述非平衡热等离子体体系的物理数学模型的理论推导、非平衡条件下电弧等离子体的数值模拟和实验研究，完成了项目任务书中的计划。主要成果如下：.推导出描述等离子体中各组分守恒特性的控制方程和输运系数计算式。控制方程中各通量自洽，也与现有广泛采用的描述平衡态热等离子体特性的模型自洽，且避免了有争议的对定压比热、反应热导率的定义和计算；输运系数计算相对于完全耦合方法结果非常接近，在不增加计算量的同时保证了通量的守恒。作为上述成果的重要应用，完成了两种气体混合物非平衡等离子和三种非反应性气体混合物热平衡等离子体的组合扩散系数计算公式的推导，计算了Ar-He-C热平衡等离子体组合扩散系数。.分别采用简化阴极鞘层模型和阴极鞘层单向耦合电弧模型研究了阴极与等离子体的相互作用，建立了阴极-阴极鞘层-弧柱-阳极鞘层-阳极在内的电弧等离子体非平衡物理数学模型，编制了计算程序。简化阴极鞘层模型模拟结果：在轴向磁场作用下锥-板电极的阴极弧根产生明显收缩，收缩弧根反过来影响整个电弧位形结构；同轴电极电弧的阴极弧根在不同外部条件下产生收缩、扩散等不同的位形结构，反过来又影响到弧柱位形。用阴极鞘层单向耦合电弧模型细致研究了阴极鞘层区的能量传递机制以及鞘层对等离子体伏安特性的影响，所得结果与实验值非常接近；通过与实验测量结果的比较筛选出符合物理实际的边界条件，研究了阴极极鞘层外缘边界条件对弧柱区等离子体特性的影响，降低了计算量，得到了比较接近物理实际的电弧特性计算结果。采用不包括阳极鞘层区的模型计算了锥板电极自由电弧，与实验结果比较显示其准确性比以往的模型提高，计算时间并未大幅提高；与简化模型比较，轴向磁场作用阴极弧根计算结果有差异，说明鞘层对阴极弧根的作用明显。.建立了光谱分析、可见光图像处理、光电离质谱非平衡等离子体的诊断方法，采用多种非热电弧模拟电弧边界层附近非平衡等离子体的特性。结果表明：直流非热电弧具有与等离子体固体边界层相似的非平衡特征；C-H-Ar非热电弧的电子激发温度约为0.4-1 eV、重粒子温度0.28-0.4eV，电子密度为1021 m-3量级；等离子体中检测到了C2~C6不饱和烃；氦扩散弧不仅偏离热力学平衡状态，而且远偏离化学平衡，而氩扩散弧存在收缩不稳定临界点；等离子体与阴极间的相互作用会产生多种位形的阴极弧根，且传热起主要作用。