（动力机械及工程专业论文）连续弧等离子点火器喷嘴电弧数值模拟分析.pdf

连续弧等离子点火器喷嘴电弧数值模拟分析摘要作为燃气轮机的一种新型点火方式，等离子点火技术点火能量大、集中，并且等离子成分具有活化燃烧作用，可以提高燃气轮机点火的可靠性和浓度极限。本文的研究工作为连续弧等离子点火发生器点火喷嘴的设计提供一定的理论依据。首先，本文在电子能量平衡、化学反应平衡、状态方程、质量作用定律等方程的理论基础上列非线性方程组，求解并分析等离子体成分随温度的变化情况；根据磁流体动力学的质量守恒、动量守恒、能量守恒方程、麦克斯韦方程组以及等离子弧的放电特性建立数学分析模型，模拟分析等离子电弧的电、热和流体流动过程。其次，本文利用经典a n s y s 软件进行数值模拟，采用电场、磁场和流场等多物理场耦合的方式进行计算，根据电弧的物理特性选择合适的单元类型，输入等离子体随温度变化的各个物性参数，建立简化后的几何模型施加合适的边界条件进行计算。对数值模拟得到的电弧特性参数的分布情况进行分析，如等离子弧的电流密度、电压、磁场力、磁感应强度、温度、速度等。考察自感应磁场产生的磁场力对等离子体温度、速度分布的影响，并对其结果进行对比分析。为了得到高温、高速、电弧长度足够长的电弧和最大限度的延长电极寿命，本文考察等离子点火器工作电流、入口空气流速、点火器喷嘴的阴极内缩量、电弧出口通道的直径和电弧出口通道的长度等对等离子弧特性的影响，优化设计一种合适的点火器喷嘴。最后，本文为实现获得强刚性、高温度等离子弧的目的，采用磁引弧、磁压缩弧的方法，在原等离子弧的基础上施外加磁场，希望磁场对带电粒子的运动产生一定的影响。本文采用不同的磁场施加方式和施加不同的磁场强度大小进行数值模拟，并对结果进行比较分析。关键词：燃气轮机；等离子成分；等离子弧；磁引弧；数值模拟连续弧等离子点火器喷嘴电弧数值模拟分析a b s t r a c ta san e wi g n i t i o nd e v i c ef o rg a st u r b i n e ，p l a s m ai g n i t i o nt e c h n o l o g yh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sh i g ha n di n t e n s i v ei g n i t i o ne n e r g y , h i g hs p e e do fc h e m i c a lr e a c t i o n ，e t c i tc a na l s og r e a t l yi m p r o v et h ei g n i t i o nr e l i a b i l i t ya n df u l ed e n s i t yl i m i t a t i o no fg a st u r b i n e t h i sr e s e a r c hp r o v i d e sc e r t a i nt h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ed e s i g no ft h ec o n t i n u o u s a r cp l a s m ai g n i t i o ng e n e r a t o r f i r s t l y , t h en o n l i n e a re q u a t i o n s ，w h i c hw e r eu s e dt oo b t a i nt h ep l a s m ac o m p o s i t i o no fd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e ，h a v eb e e ns e tu pb a s e do ne l e c t r o ne n e r g yb a l a n c e ，c h e m i c a lr e a c t i o nb a l a n c e ，s t a t ee q u a t i o n s ，l a wo fm a s sa c t i o n ，e t c h e a tt r a n s f e ra n df l u i df l o wp r o c e s so fp l a s m aa r cw e r es i m u l a t e da c c o r d i n gt ot h em a t h e m a t i c a lm o d e lw h i c hw a sc o n s i s t e do fc o n s e r v a t i o ne q u a t i o n sf o rm a s s ，m o m e n t u m ，e n e r g ya n dt h em a x w e l le q u a t i o n sa n dd i s c h a r g ep r o p e r t i e so ft h ep l a s m aa r c s e c o n d l y , i nt h i sr e s e a r c h ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a sa c h i e v e db yu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y s m u l t if i e l dc o u p l i n gi n c l u d i n ge l e c t r i cf i e l d ，m a g n e t i cf i e l da n df l o wf i e l d ，w a sa d o p t e da n dt h ea n a l y s i sr e s u l t sw i l lb ec a l l e df r o mo n ef i e l dt on e x to n e t h es i m u l a t i o np r o c e s sc h o s ea p p r o p r i a t ee l e m e n tt y p ea c c o r d i n gt ot h ep h y s i c a lp r o p e r t yo fa r c ，i n p u te a c hp h y s i c a lp r o p e r t i e so fp l a s m ai nd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e ，s e tu pt h es i m p l i f i e dg e o m e t r i c a lm o d e l ，e x e r t e dt h ea p p r o p r i a t eb o u n d a r yc o n d i t i o na n dc a r d e do u tc a l c u l a t i o na tl a s t a f t e rc a l c u l a t i o n ，t h ed i s t r i b u t i o no ft h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s ，s u c ha sc u r r e n td e n s i t y ,v o l t a g e ，m a g n e t i cf o r c e ，m a g n e t i cf l u xd e n s i t y , t e m p e r a t u r ea n dv e l o c i t yo fp l a s m aa r cw e r ea n a l y s e d t oi n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c eo fm a g n e t i cf o r c eg e n e r a t e db yi n d u c t a n c em a g n e t i cf i e l do nt h ep l a s m at e m p e r a t u r ea n dv e l o c i t y , t h er e s u l t so ff l o wf i e l dw i t ha n dw i t h o u tm a g n e t i cf o r c ew e r ec o m p a r a t i v e l ya n a l y z e d i no r d e rt od e s i g nap l a s m ai g n i t i o ng e n e r a t o rw i t hh i g h e rt e m p e r a t u r e ，l a r g e rs p e e d ，l o n g e rp l a s m aa r ca n dm a x i m i z ee x t e n dt h el i f eo ft h ee l e c t r o d e ，p a r a m e t e r so ft h ep l a s m ai g n i t i o ng e n e r a t o r , t h ed i f f e r e n tw o r k i n gc u r r e n t s ，i n l e ta i rv e l o c i t y , i n w a r dc o n t r a c t i v es i z eo fc a t h o d e ，d i a m e t e ro fo u t l e tc h a n n e lf o ra r ca n dl e n g ho fo u t l e tc h a n n e lf o ra r cw e r es i m u l a t e da n dc o m p a r a t i v e l ya n a l y z e dr e s p e c t i v e l y f i n a l l y , t h em e t h o d so fm a g n e t i s m - i n d u c e da r ca n dm a g n e t i s m - c o m p r e s s e da r cw e r ea d o p t e dt oo b t a i nap l a s m aa r cw i t hf i n er i g i d i t ya n dh i g ht e m p e r a t u r e t h ei m p l e m e n t a t i o n哈尔滨工程大学硕士学位论文m e t h o da p p l y e de x t r am a g n a t i cf i e l dt op l a s m aa r c ，b e c a u s et h ee x t r am a g n a t i cf i e l dw o u l di n f l u e n c et h em o v i n gd i r e c t i o na n dv e l o c i t yo fc h a r g e dp a r t i c l e s i nt h i sr e s e a r c h ，d i f f e r e n tm a g n e t i cv e c t o rp o t e n t i a lw a sa p p l i e di nd i f f e r e n tp o s i t i o n s ，w h i c hw e r es i m u l a t e da n dc o m p a r a t i v e l ya n a l y z e dr e s p e c t i v e l y a tl a s t ，a no p t i m a lp o s i t i o na n dv e c t o rv a l u ew e r eo b t a i n e d k e y w o r d s ：g a st u r b i n e ；p l a s m ac o n s t i t u e n t ；p l a s m aa r c ；m a g n e t i s mi n d u c ea r c ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n第1 章绪论1 1 等离子体简介第1 章绪论从1 8 世纪中期人们发现等离子以来，对它的认识在不断的加深，对等离子体的应用也逐渐多种多样，霓虹灯、荧光灯、水银灯等是对其光能的利用，等离子体焊接和等离子体切割等是对其热能的利用，而磁流体发电则是利用了它的机械能【l 】。等离子体是由部分电子被剥夺后的原子及原子或分子被电离后产生的正负带电粒子组成的离子化气体状物质，它是除去固、液、气外物质存在的第四态。作为物质的第四态，等离子体有着许多独特的物理、化学性质，如：温度高、粒子动能大；作为带电粒子的集合体，具有类似金属的导电性能；准电中性；化学性质活泼，容易发生化学反应；具有可用作光源的发光特性【2 】。等离子体可以存在于很大的温度和压力变化范围内。等离子体是一种很好的导电体，利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。等离子体是宇宙中一种常见的物质，它占整个宇宙的9 9 。用人工方法，如核聚变、核裂变、辉光放电及各种放电都可产生等离子体。一般来说，按热力学平衡等离子体可分为两类：高温和低温等离子体。传统的分类和不同等离子体的参数见表1 1 3 1 。表1 - 1 等离子体分类等离子体种类状态举例高温等离子体( 完全热疋互毛，太阳内部、核聚变、激光聚变平衡等离子体)t p = 1 0 6 - 1 0 8 k ，等离子体f e 1 0 2 0 m 一3热等离子体( 局疋z v g 2 x 1 0 4 k ，等离子弧、等离子喷嘴、射频低部热力学平衡等诱导耦合放电泪离子体)7 e21 0 2 0 m 一3皿笙辉光放电、电晕放电、介质阻寸呙冷等离子体( 非正 z r g = 3 0 0 1 0 3 ，挡放电( d b d ) 、常压等离子子体射流( a p p j ) 、微空心阴极放体热力学平衡等离电( m h c d ) 、大气压均匀辉光子体)f e 1 0 1 0 m 一3放电等离子体( o a u g d p ) 、微型等离子弧热等离子体具有电子、离子和中子平衡或接近平衡的特点。通常等离子炬和微波设哈尔滨工程大学硕士学位论文备产生的等离子体都是热等离子体。由于本文研究的连续弧等离子点火发生器的等离子弧温度超过1 0 0 0 k ，所以将本文研究的等离子弧定性为热等离子体。1 2 气体放电特性简介在放电管间接直流电源和一个可调式镇流电阻，通过调节镇流电阻的阻值得到气体放电的伏安特性，如图1 所示 1 1 。从图中我们也可以得出结论：由于本文研究的连续弧等离子点火发生器的电流是大于5 a 的，所以应该按弧光放电处理。图1 1气体放电伏安特性曲线a b 段为非自持放电本底电离区；b c 段为非自持放电饱和区；c e 段为汤森放电区；d e 段为电晕放电区；e f 段为前期辉光放电区：f g 段为正常辉光放电区；g h 段为异常辉光放电区；h k 段为弧光放电区当外电场保持一定时，如果需要外界辐射源才能持续放电时，放电为非自持放电；当不需要外界辐射源就能保持持续放电则为自持放电。本文研究的等离子连续弧为白持放电，所以只介绍自持放电。根据汤森理论，如果发生自持放电需满足以下条件：7 f g “一1 ) _ 1y 一一个正离子撞击到阴极表面时产生出来的二次电子数口一电子碰撞电离系数d 一两极板距离利用汤森理论的自持放电条件以及碰撞电离系数口与气压p 、电场强度e 的关系式、7( 气温不变时) ，并考虑均匀电场中自持放电起始场强战= 萼( 式中圪为起始电压) 可a得到以下关系：2v o ：千垫l( 1 - 1 )1 1 1 l 霸i由于均匀电场气隙的击穿电压等于它的自持放电起始电压v o ，上式表明：均匀电场气隙的击穿电压满足下式：= f ( p d ) ，此式称为巴申定律。巴申定律表明，改变极间距离d 的同时也相应改变气压p 而使p d 的乘积不变，则极间距离不等的气隙击穿电压却彼此相等；当极间距离d 不变时提高气压或降低气压到真空，都可以提高气隙的击穿电压 3 ，4 1 。1 3 等离子点火器简介等离子点火发生器是等离子体技术在动力与能源工程领域中应用而产生的一种新型点火装置。在燃气轮机点火时，电极之间的高电压将间隙中的空气击穿电离，然后带电粒子由于受到空气流动、磁场力、机械压缩等作用形成高温、高速的等离子体射流，等离子体中含有活性很强的带电离子，当等离子弧炬去点燃燃料时，燃料分子受到催化作用而反应相应加快。这样在相同的能量条件下，就加快了化学反应过程【5 1 。表1 2 各种点火器对比表等离子点火器高能点火器火花塞点火器小油枪点火器点火性能很好好好好气体燃料、柴气体燃料、油、雾化重油、柴油、雾化适用燃料重油、焦油、气体燃料、汽煤粉焦油、渣油、渣油、沥青油、乙醇沥青油油点火电压( v )1 0 k v 一1 k v2 k v 一5 k v2 0 k v 一5 0 k v2 k v 一5 k v点火电流( a )o 5 1 22 40 0 0 0 0 4 0 0 0 018点火器工作功率 3 0 0 w 1 0 0 0 w 5 0 w 1 0 0 0 l w( w )点火电嘴寿命( h )5 0 0 08 0 07 0 0 05 0 0是否需要额外燃料否否否是哈尔滨工程大学硕士学位论文是否需要辅助设备否否否是是否有助燃作用有无无有连续工作时间( s )3 02 04 02 5尺寸重量 1 5k g 2 0k g 5 0 k g表1 2 表示出了个点火器的优缺点，通过对比得知：等离子点火器点火能量高、重量轻、可实现无油点火、寿命长、可助燃等优点，所以等离子点火器有广阔的发展前景。此外，等离子点火器在高速流中具有加强火焰的稳定性和提高高速流反应机制的潜能。但是等离子射流的位置十分重要，如果放在燃料口上游则会限制燃烧，原因是活化分子在与燃料分子相互作用前就重新结合了；如果放在接近下游的位置，则等离子体的能量在燃料分子与空气充分结合前就用来加热燃料分子了。所以只有将点火器喷嘴放在燃料喷射器下游，燃料与空气充分混合的地方才能充分发挥他的潜能。等离子点火器还可以有效的扩大高速流的燃烧极限，传统的火花点火器就很依赖于燃空混合的点火极限。从经济上看，增加点火极限和加强火焰的稳定性只需要消耗一点电而已。从等离子点火器的稳定性、点火极限和经济性上看，在一定条件下等离子点火器是最优选择【6 】。1 4 课题设计研究的意义现代燃气轮机点火普遍采用的方式是用高能点火电嘴来直接点燃主燃烧室。为了确保在任何使用条件下都能稳定、可靠地点火启动，对点火系统提出一定的技术要求：点火器喷嘴电弧要有足够的点火能量；点火器喷嘴材料具有足够的强度和耐热性能；等离子点火器喷嘴如果积炭能够不影响正常点火。等离子点火器点火具有点火能量高、点火延迟时问短、能量集中、扩大点火的燃料浓度极限等优点，因此深入开展等离子点火技术的理论研究和试验研究工作，对指导等离子点火器的设计与应用、改善发动机的起动工况机动性与工作稳定性具有重要的意义。数值模拟是以计算机为手段，通过数值计算和图像显示的方法，达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题研究的目的【7 1 。目前连续弧等离子点火发生器的研制方法主要是参照已有的点火器进行改进并试验进行设计，这就需要通过不断的实验来完成。在研制过程中由于经验不足需要耗费大量的人力、物力，甚至会导致设计出等离子点火器并不适用 8 】。电弧放电过程中，等离子点火器内部同时存在电极间电弧的导电过程、电磁场、混合气体的流动、传热与传质过程，这些过程的相互作用使得反应器内部参数之间的相互关系复杂，所以研究发生器第1 苹绪论内部等离子弧的传热、流动状态都是必要的，因为它跟等离子点火器的应用紧密相关。数值模拟可以帮助确定点火发生器的各种几何参数、工作参数的最佳设计、最佳工艺方法。连续弧等离子点火发生器的工作过程包含电弧物理、传热、化学反应等复杂过程，要得到刚性强、温度高、寿命长的点火发生器必须要控制点火能量、点火头的几何形状和尺寸等因素，这些靠试验方法是很难实现的。为了使等离子点火发生器的研制具有更有力的理论基础，需要细致的研究等离子点火发生器内部的一些物理化学变化过程。由于复杂的物理化学变化过程导致等离子弧的分析过程十分复杂，同时又由于反应空间小，弧温较高，采用实验测量手段得到等离子弧温度场、速度场和确定弧根位置等比较困难。目前现有的较成熟的实验测量方法有：光谱双线解析法【9 ，10 1 、光谱多线解析法、多通道辐射高温计法【1 0 ，1 1 1 、散斑照相法1 0 ，1 2 1 、激光全息干涉法【1 3 】、光谱信息测控技术等 1 4 】。随着高速计算机和计算流体力学的发展，数值模拟成为研究等离子点火发生器内部物理变化过程的最经济有效的手段。1 5 等离子点火技术国内外研究进展1 5 1等离子点火器国内外研究进展在能源、环境和安全的挑战性的时代，人们开始了对等离子点火技术的研究，打开了等离子技术的市场。小电流等离子点火发生器具有增加电极的使用寿命；不需要对电极和喷嘴进行冷却；能量变化范围增大；可以用不同的产生等离子体的气体或混合物：空气，氮气，氩，水蒸气，空气甲烷，氮气甲烷，氮气h 4 ，蒸汽甲烷混合物等；没有稀有材料；在弧室中不产生积灰；设计灵活；简单、可靠等优势。所以目前世界上超过1 2 0 0 个系统被安装和使用等离子点火系统。它的发展过程大致为：1 9 7 9 年开始等离子技术，主要是研究与测试；1 9 8 1 年完成并测试第一个等离子燃料喷嘴；1 9 8 3 年启动了第一台燃气轮机( i o m w ) ；1 9 8 5 年等离子点火系统开始大量生产；1 9 8 7 年完成舰用燃机发动机的等离子点火系统( 1 6 m w ) ；1 9 8 9 年进行了m i g 拦截机用航空燃机的高空试验；1 9 9 0 年私有的等离子技术相机的公司建立；2 0 0 0 年为普惠公司、u n i s o n 、美国能源部等提供技术；2 0 0 2 年基金会为等离子燃料喷嘴的试验提供基金；2 0 0 0 年d l z - 2 0 0型等离子点火煤粉燃烧器在烟台电厂2 0 0 t h 锅炉上点火成功，于2 0 0 2 年通过鉴定，这是世界上首次利用点火技术实现了贫煤锅炉无油启动和稳燃 1 5 - 1 7 ；2 0 0 2 年第一台等离子系统在美国( 国家能源技术实验室) 销售；2 0 0 3 年等离子点火系统在s u h o i 一3 0 3 3 3 7 拦5哈尔滨工程大学硕士学位论文截机上进行高空试验；美国建立a p p l i e dp l a s m at e c h n o l o g i e s ；2 0 0 4 年美国专利应用于反向涡燃烧室，各种各样的等离子辅助燃烧系统，西门子燃机进行等离子技术确认试验；2 0 0 4 年哈尔滨九洲节能燃烧设备有限公司与俄罗斯国家电力公司等离子研发中心合作研发的煤粉锅炉等离子热裂解气化无油点火装置，可点燃多种难燃煤、功率调节范围大、阴极的使用寿命长【18 】；2 0 0 5 年美国能源部在三年时间内提供几百万美元主要研究和发展新型的等离子辅助燃烧系统；2 0 0 5 年有4 0 项6 0 0 m w 、3 5 项3 0 0 m w 、2 0 项2 0 0 m w 、2 5 项1 2 5 一m w 、1 0 0 m w 和5 0 m w ，他们的总能量超过4 0 ，0 0 0m w ，燃料可以是低级煤、烟煤和褐煤 1 9 1 ；2 0 0 6 年超过1 2 0 0 种等离子点火系统产生，产生适合超音速横向流的微波扩大等离子炬【2 0 】；2 0 0 9 年安徽省新能电气科技有限公司的p i c s i 1 0 0 型大型锅炉的等离子体点火系统通过了中国电力规划设计总院主持的国内专家技术评审【2 1 ；2 0 1 0 年哈尔滨工程大学将其设计的连续弧等离子点火发生器成功用于某型燃气轮机；目前，美国与俄国、乌克兰合作研发生产了一系列的等离子点火系统，这些点火系统主要用于潜艇、工厂和航空用燃气轮机。已经成功为超过15 种燃气轮机提供等离子点火系统，该公司研究的等离子点火系统可以用空气表压为2 0 0 5 0 0 p a 到1 5 0 0 0 p a ，点火系统可提供几百到1 5 0 0 w 的能量，速度可达到3 0 0 m s ，温度从1 0 0 0 k 到5 0 0 0 k ，提供能量的电源有多种：2 4 2 7vd c ；1 1 0v 6 0h z a c ；2 2 0 2 4 0v ，5 0h z a c 和3 8 0v ，5 0h z a c ，重量为o 5k g 到1 7k g 【2 2 】。1 5 2 等离子点火器电弧数值模拟研究进展要完全的描述等离子体的状态，我们需要写下所有粒子的位置、速度，并描述等离子地区的电磁场。然而，一般是不可能也不需要记录等离子体中的所有粒子。因此，等离子体物理学家通常用很少的详细描述，一般有两个主要的类型 2 3 】：非转移型等离子发生器，作为各种工业运用中的重要等离子体源，等离子发生器内部的工作特性直接影响到发生器外部热等离子体射流的特性；对连续弧等离子点火器进行深入、细致的研究，对于了解发生器内部的传热和流动规律，揭示等离子发生器内部物理化学过程具有非常重要的意义1 2 4 】。数值模拟对于研究其变化过程是最经济有效的方法。文献 2 5 3 1 采用给定温度边界和弧柱区的方法，施加电压和电流密度，得到等离子弧的温度和速度的分布情况。并分析阳极的热流密度随电流大小的变化情况。但是由于等离子弧内部复杂的化学变化，所以未考虑化学反应部分；在数学建模的过程中，如何考虑阴极区和阳极区有待进一步研究。文献 2 4 禾1 j 用a n s y s 软件，采用三维的数值模6第1 章绪论拟方法，网格划分为映射画法，但其边界条件解说并不详细正确，出现矛盾点，不过，其外界为绝热边界可以借鉴。文献 3 2 1 的数值模拟方法跟文献 2 5 3 1 相似，但其侧重点是研究阴极形状、锥角、内缩量和喷嘴形状对等离子弧的速度和温度分布的影响。文献 3 3 佣等效的内部加热区代替电产生的焦耳热，采用k 占双方程湍流模型进行数值模拟，采用s i m p l e 算法，假设壁面是绝热壁面，由于简化较严重，得到的结果具有一定的参考价值。文献 3 4 】介绍了等离子点火技术的分类和等离子流点火技术的优点，特别是与其他的电火花点火等的比较，给出了英国r r 公司试验研究得到的等离子流的速度和燃烧室的燃烧极限等，参考价值较高。文献 5 ，3 5 3 6 对于控制方程采用混合格式的差分格式进行离散；采用壁面函数法对壁面进行处理；采用s i m p l e c 算法来解决压力速度耦合问题；采用多重网格法求解离散方程；应用上述的数学模型和算法，得到了等离子点火器内部温度、压力、湍流平均脉动动能、湍流动能耗率、流体的速度、密度等一系列燃烧流场的特性分布。但是，在边界条件的施加方面采用施加稳定热源的方法，这离实际情况偏差较大。文献 3 7 采用s i m p l e c 算法和贴体网格对某型等离子点火器内部湍流燃烧流场进行了数值模拟，得出流场中我们关注的一些参数的分布情况并对其进行分析，最后模拟得到等离子点火器流场特性参数随工作参数的变化趋势情况。本文的分析较全面具体，但是由于点火器内部反应复杂，未考虑电离对燃烧的影响，跟实际情况还有一定的差距。文献 3 8 4 0 】以直流电弧为研究对象，建立轴对称电弧数值计算模型，采用s i m p l e 算法求解磁流体动力学方程组，得到电弧的速度、电磁力、电流密度和压力的分布，但是也未考虑等离子弧内部复杂的化学反应以及辐射作用。文献 4 1 对等离子点火器出口平均温度进行了理论计算，并分析不同功率对出口温度的影响。利用a n s y s 软件对点火器电弧进行数值模拟，得出阴极和阳极最高温度随功率和压缩空气量的变化趋势，在进行数值模拟时未考虑点火器内部复杂的化学反应。利用f l u e n t 软件，考虑辐射影响，得出温度场、速度场、c o 和c 0 2 的质量分数等的情况。文献 4 2 中假设等离子射流的内部和外部都可以简化为处于局部热力学平衡状态，也就是说射流中的分子、原予、电子和离子具有相同的温度【4 3 。这个假设在空气等离子射流的模型中被普遍使用。然而，在温度梯度较大的区域则不太适用( 离电极较近的区域) ，在进步的研究中这个疑问应该得到解决。文献 4 4 中指出为了给专业应用和科技的发展提供高质量的帮助，许多专家和学者对电弧进行了研究，特别是非转移电弧。考虑到越来越复杂的现象，试验结果和模型之间的比较导致计算方法的不断改进。许多这方面的研究仅仅应用在了等离子射流上。例如：c a p e t t ia n dp f e n d e r 【4 5 l a n dd i l a w a r ie ta l t a 6 j7哈尔滨工程大学硕士学位论文的测量方法；m c k e l l i g e te ta l t 4 7 】a 1 1 dc h a n ga n dr u 1 1 s h a w 【4 8 】分别在用空气和氮气进行冷却的氩等离子射流的数值模拟方面进行了一些的研究。这些对等离子特性的研究中，大部分都是在湍流状态下进行的，如h u a n ge ta l t 4 9 j 的论文中只关注两种可以预测现象的湍流流体模型，例如不混合计算。这些自由等离子射流模型要求可以为温度和速度变化图提供可调节的数据，比如喷嘴出口上游的边界条件( u p s t r e a mb o u n d a r yc o n d i t i o n s ) 。为了尽量避免假设，一些研究者在他们的模型里包括了弧柱区，w e s t h o f fa n ds z e k e l y l 5 0 1 在假设阴极端部为平头的情况下，计算了一个非转移型等离子弧炬，得出层流状态下的等离子弧的特性，p a i ke ta l t ”】在直流等离子弧炬处于层流状态下，研究确定了弧根的位置，但是未与自由等离子射流进行耦合。w e s t h o f fa n ds z e k e l y 4 8 】在对试验结果和模型的讨论、比较中取得了较好的成绩。b a u d r y 的p h d 理论打开了火炬内部机制的全球范围的研究【5 2 ，5 3 j ，然后，利用相同的假设和数值的情况，c o l o m b oa n dg h e d i n i 5 4 】，随后有t r e l l e s 等人【5 5 】改善了这项研究。所有的研究都运用了同一组方程式，即质量、动量和能量方程。在局部热力学平衡( l t e )假设的基础上，假设所有的气体都处于同一个温度，由于存在电磁场的作用，将这些方程与麦克斯韦方程组进行耦合。b a u d r y t 5 2 】认为火炬内部流处于层流，c o l o m b oa n dg h e d i n i 5 4 1 用了相同的假设和条件，但是不同的是认为处于湍流态的假设，然后引入大涡模拟来计算火炬内部和下游的情况。另一个不同关系到弧根实施的假设。文献 5 1 中，假设弧根为高温柱形，在该区域电场超过其临界值并导致电路短路。当旧的烧尽时这个区域的移位导致产生一个新的弧根。在主要参数( 频率、弧压的大小) 的数值没有在正确范围内变化的时候，这个方法为氩和氩氢操作条件提供合理的结果。文献 5 4 中，在阴极上电场密度充分高的部分没有实施电弧重燃，在阴极壁上施加一个统一的0 电势的条件是适合的。氩弧焊的运动看起来是合理的，然而没有给出关于弧压和再触发方式的频率等的信息。文献 5 5 中，在阴极附近人工施加高的导电性。在这些假设的基础上，结果跟b a u d r y 的相似。所有的这些研究显示，主要的问题还是在接近阴极的边界层的消耗，包括壁面状态上电和热等方面的问题。t r e l l e s 等人【5 6 , 5 7 1 用非局部热力学平衡的假设通过引用两个温度的氩弧模型来计算。局部热力学平衡和非局部热力学平衡的结果跟试验数据进行全面的比较证明了非局部热力学平衡的优势。h e p i n gl i 等人1 58 】在等离子弧火炬的转移氩弧上用了相同的总体模型。在这之前，考虑到多物质之间的化学反应，曾有人研究依靠时间的两个温度的化学非平衡模型。文献【5 9 ，6 0 禾1 j 用计算软件l a v a 对等离子射流进行瞬态、可压缩的二维湍流计算，中子、离子和电子分别作为混合气体的组成部分，一般的动能和平衡化学算法计算电离度、分解、第1 章绪论重组和其他的化学反应。并将计算结果和实验结果进行比较。文献 6 1 】主要研究氩气和氩氮混合气体的非转移直流等离子射流火炬的i v 特性。文献 6 2 分析得出随着弧电流的增加弧压是减小的，随着电极间距的增大而增大。混合气中氮气的百分比增加，那么弧的能量也会相应增大。1 6 本文研究的主要内容本文的工作内容主要包括：1 、理论计算连续弧等离子点火发生器等离子体在不同温度时的粒子成分，预估其化学催化效果，为后续研究打好基础。2 、结合软件计算功能和等离子点火发生器的实际物理过程，对点火喷嘴的几何形状和物理过程进行简化，建立合适的数学模型和几何模型。用经典a n s y s 软件，对其建模、网格划分、施加边界条件，用电场、磁场、流场三场耦合的方法对连续弧等离子流发生器的点火喷嘴部分进行数值模拟，同时考虑热辐射的影响，分析出点火头部分的阴、阳极以及等离子弧部分的温度场、速度场、电流密度、粒子受力等的分布情况，并分析这些参数随点火器工作电流( 工程应用中热量来源也是电流，而且电流的大小可测) 、点火头喷嘴的几何尺寸形状等的变化情况，对其进行优化设计，为连续弧等离子流发生器实验部分提供有效的理论依据。3 、在2 结果的基础上，施加外加磁场，利用磁引弧作用，计算出点火头部分的阴、阳极以及等离子弧部分的温度场、速度场随外加磁场强度的变化情况。最后对结果进行优化，得到点火能量高、刚性强、寿命长的点火喷嘴的尺寸、形状及外加磁场的位置、大小等。9哈尔滨工程大学硕士学位论文第2 章空气等离子体组分的理论计算2 1 平衡常数的统计解释高温电离气体的流动与传热研究中，往往需要有气体成分组成( 如电子、原子、离子的密度等) 、热力学性质( 如比热、比焓等) 、输运性质( 如粘性系数、热导率、电导率、扩散系数等) 的数据【6 3 1 。要求解数学模型中的方程，必须首先给定等离子体的热力学属性，也就是具体的等离子体的比热容、电阻率、导热系数、密度、粘度系数等随温度的变化。由于等离子弧中存在着分解、电离、复合等各项复杂的物理化学变化过程，等离子体的热力学属性强烈的依赖于温度。若通过实验的方法测量等离子体的这些物性参数十分困难，测量也是局限在一定范围内，而且测量存在的误差较大，大到不同的人使用同样的方法所得到的结果也会差别很大，有的甚至达到好几倍。目前大多数人通过求解动理学方程进行理论求解等离子体的热力学属性，然而要得到等离子体的热力学属性首先需要知道等离子体组分构成。从第一章的分析中得知，本文研究的等离子体处于局域热力学平衡状态，在局域热力学平衡的条件下，等离子体平衡方程满足反应平衡方程式、电准中性和原子数平衡等方程，因为求解过程用到平衡常数，所以在这里对平衡常数用统计热力学进行一下解释。2 1 1 推导过程应用的基本知识配分函数是同统计分布密切相关、反映系统热力学性质的特征函数。统计物理学通过对大量微观粒子统计行为的计算，将微观物理状态与宏观物理量相互联系起来，而配分函数就是联系微观物理状态和宏观物理量的桥梁。粒子的微观性质如质量、振动频率、转动惯量与热力学系统的u 、h 、s 、a 、g 等宏观性质将要通过配分函数联系起来。理想气体分子具有平动、转动、振动、核运动和电子运动自由度。一个理想气体分子的能量可以用下式表示 删：s = s 平+ 占转+ s 振+ 占电+ s 核( 2 - 1 )配分函数表达式为：g = 一1 强g 转冁魄2 )其中，平动配分函数的, 表g j 达e x 式p ( 为：脚：_ r ( ( 2 2 - v ( 2 7 r m k t ) 3 z3 )第2 章空气等离子体组分的理论计算矿一三维箱的体积，本文假定其为单位体积聊一粒子质量丁一气体分子的温度庇普朗克常数，6 6 2 6 x 1 0 。4 ，5尼一波尔兹曼常数，1 3 8 1 0 2 3l 厂kg ，一简并度占，一能级j 上的能量对于单原子气体来说，q 转= 娠= 1 。在低温、中温时，q 屯也等于1 ，但有些物质除外，例如氟原子和氯原子。如果g 核能够忽略，单原子气体的配分函数就只有平动部分。转动配分嗽驴瓦t = 字( 异核双原子分子)( 2 - 4 )弦：8 n 丁- 2 k t( 同核分子)鲒2 丐r。i 刊仫刀丁( 2 5 )式中。转= 话称为转动特征温度，单位是k，一转动惯量对于同核分子，如、c l ，等等( 它们具有相同的原子核，如3 5 c 13 5 c 1 ) ，按照对称规则要求，应该把上述配分函数除以对称数仃，盯等于分子的简单刚性转动所能转到的不可辨位置数目。仃可认为是体系粒子的额外不可辨性。对于任何对称线型分子来说，盯= 2p o 振2 t振动配分函数：g 振= i i 可2 - 6 式中 振( 兰h v k ) 是振动特征温度，单位是k 。电子配分函数：q 电= g 尸一龟，j 7 灯( 2 - 7 )3式中，是电子能级歹上相对于基态能级的能量。因为第一电子激发态比基态约高4 0 0 k j m o l ，所以只有在温度很高时，处于电子激发状态的分子分数才比较显著。在室温附近，大多数分子处于电子基态。原子核配分函数：在通常温度下，由于两个最低的原子核能级之间的能量间隔很大，无疑，原子核基本上处于它的基态。对于具有自旋量子数f 的原子核来说，核白旋基态哈尔滨工程大学硕士学位论文能级的简并度为( 2 i + 1 ) ，所以原子核配分函数可以写成q 核- - z g ，p 一勺舻= g 。= ( 2 i + 1 )( 2 - 8 )g o 一基态简并度。2 1 2 平衡常数关系式的建立各种热力学性质的讨论是在摩尔基础上而不是在分子基础上进行的，故对于热力学函数进行统计定义时，用摩尔配分函数要更适当些。当独立子在各能态上重新排布而产生不同的量子状态时，分子配分函数q 和摩尔配分函数q 具有以下关系式：q = q ( 2 - 9 )其中= 甩，n 表示体系中的总粒子数，_ 是能级j 上的粒子数。对于理想气体，每个独立子都在整个体系中自由运动，粒子间相互交换坐标并不产生新的量子状态，所以理想气体粒子的可辨性减少。从而气相中仅由两个粒子相互交换位置而产生的不同量子状态是不可辨的，只应计算一次。如果每个能级只含有一个粒子，则各粒子在这些能级上的排列数目为n ! ，于是分子配分函数q 和摩尔配分函数q 具有以下关系：q 2 而1g(2-10)如果气体是由两种无相互作用的气体组成，那么该混合物的配分函数可表达为9 = q q = 搿x 筹沼将斯特林公式用于式( 2 1 1 ) ，得1 1 1 0 = t n 幺+ 1 n q = 虬1 i l q 4 + 虬h 1 一以1 1 1 m ( 2 - 1 2 、一hb i nhb 七ha 七hb在丁、矿和虬恒定的条件下，求式( 2 1 0 ) 对圯的导数，得( 筹l 虬= l n q _ - i n 虬地弦由于每个分子的化学势定义为：以- ( 劫协亥姆霍兹自由能a 和配分函数的相互关系为【6 2 1 ：a = - k t i n o( 2 1 5 )小坩a l n q i = _ 挑只虬( 2 1 6 )对于l m o l 气体来说，为：心一盯h v 扎 。1 7 下面来推导平衡常数与配分函数之间的关系式。为此，反应物的配分函数和生成物的配分函数必须参照同一基态。为满足这一条件，可用下式进行修正蚴：q = g 8 一c o 灯( 2 - 1 8 )由于原子核配分函数对于平衡常数没有任何影响，因此配分函数简化为：g 内绳( 2 - 1 9 )5 9 平g 内g 电2 z f 一i g 内g 电、二。1 了7式中，q 平中的体积表示为r t p ，而g 内2g 转雌。标准状态下( p = l a t m ) 的配分函数可类似地写成g：丁(27mkt)32r g 电( 2 2 。)显然将( 2 2 1 ) 代入( 2 1 8 ) 得q = g 0 尸口：芷p 刮打1p( 2 2 1 )( 2 2 2 )将其代入式( 2 1 7 ) 得一胁簪卅丁h 丁q o e - e o k v 坩n 尸协2 3 )lp nn将上式与理想气体化学势的经典定义= o + r t l n p 比较后得到：t o = - r tl n q o j e - 广6 0 k r1 3( 2 2 4 )一哈尔滨工程大学硕士学位论文这就是标准化学势的统计定义。g 。= 莩_ = 一r 丁莩v ，n ( 雩 p 咱”c 2 2 5 ，式中，v 是组分i 的化学计算系数，产物取正号，反应物取负号。对于反应刎+ 6 b c c + e e ，当化学反应平衡时自由焓的变化量为o 【6 5 ，所以：a g = a g o + r t i nr c r 。e 6 = a g o + r t l n 砗：0(226)dad d一一，、一联立( 2 2 5 ) 、( 2 2 6 ) 得，砗= 玎( ，譬、) 叶p - 舭r。2 功，式中气是o k 时反应的能量变化( - e 。v 毛，。一，_ ，) 。对于反应刎+ 6 b c c + e e ，平衡常数砗与以反应物和生成物的浓度表示的平衡常数磁的关系为廓2 船) ( 叫七+ 6 ) _ 础矿( 2 - 2 8 )2 2 等离子体组分的求解及验证2 2 1等离子体组分的求解本文研究的空气成分主要是由氮气和氧气组成，氮氧含有的比例分别为7 9 署- i2 1 ，根据空气等离子体的反应机理，空气在足够的高压下被击穿电离，可能发生的反应方式包括离解、电离和氧化，通过查询资料知，在温度低于1 0 0 0 0 k 时可能发生的反应为：2o2 nd 2 毒2 0q + 2 害2 n on oan o + + e在完全平衡或局域平衡等离子体中，其组分可以由理想气体定律、电中性和化学平衡关系确定。根据化学，义胜月任i ：z l 瓦 ，联立方程( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) 可以得到如下的方程式：第2 章空气等禹于体组分的理论计算1 、对于双原子分子的离解反应，反应的平衡方程表示为：岳母蝴叫血= 玎e ( - 吲力寿- ( 2 x m k t ) 3 2r t - 1 2：一( 1 _ p 1 似引跣g o