電弧等離子體流場(chǎng)及螺旋不穩(wěn)定性數(shù)值研究.pdf

1、電弧等離子體由于具有溫度高、能量集中和反應(yīng)環(huán)境可控等特點(diǎn)，在工業(yè)及許多高新技術(shù)領(lǐng)域中有著極為廣泛的應(yīng)用。設(shè)計(jì)高電流、大氣壓下的大面積、均勻等離子體的電弧等離子體發(fā)生器是當(dāng)前工業(yè)應(yīng)用中所面臨的問題，但由于受實(shí)驗(yàn)條件和技術(shù)的限制，使得等離子體發(fā)生器的設(shè)計(jì)仍停留在半經(jīng)驗(yàn)狀態(tài)。所以，需要在理論上研究電弧等離子體的平衡性質(zhì)和螺旋不穩(wěn)定性，進(jìn)一步弄清其物理機(jī)制，給出穩(wěn)定性判據(jù)和不穩(wěn)定性增長(zhǎng)率等定量結(jié)果。另外，由于電弧不穩(wěn)定性的解析研究方法需要做出某

2、些假定，而且往往得到的也只是近似解，有關(guān)電弧區(qū)內(nèi)部的流場(chǎng)的分布演化情況解析方法無法給出，所以需要對(duì)電弧等離子體做隨時(shí)間演化的數(shù)值模擬，研究發(fā)生器及反應(yīng)器中的傳熱與流動(dòng)規(guī)律，為電弧等離子體發(fā)生器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)提供參考依據(jù)。本文主要對(duì)電弧等離子體的螺旋不穩(wěn)定性及其溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的傳熱和流動(dòng)特性進(jìn)行了研究。用線性微擾理論分析了電弧的螺旋不穩(wěn)定性，討論了不同因素對(duì)不穩(wěn)定性的影響，并對(duì)直流電弧等離子體發(fā)生器和反應(yīng)器內(nèi)傳熱和流動(dòng)的演化規(guī)律

3、進(jìn)行了討論。具體內(nèi)容為： (1) 綜述介紹了電弧等離子體的基本概念、基本特性及研究意義和發(fā)展現(xiàn)狀。 (2) 采用解析方法，從磁流體力學(xué)方程(MHD)組出發(fā)，利用與時(shí)間有關(guān)的線性微擾理論，討論有輻射存在時(shí)輻射對(duì)螺旋不穩(wěn)定性的影響。給出了電弧的穩(wěn)定性條件，不穩(wěn)定性增長(zhǎng)率，臨界Maceker。數(shù)等定量結(jié)果。計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)于小電流電弧，輻射使得電弧的不穩(wěn)定性增加，電弧的穩(wěn)定區(qū)域減小。 (3) 研究有外加磁場(chǎng)時(shí)對(duì)螺旋不穩(wěn)

4、定性的影響。通過求解磁流體力學(xué)方程(MHD)組，利用簡(jiǎn)化了的擾動(dòng)方程，推導(dǎo)出螺旋不穩(wěn)定性增長(zhǎng)率和臨界Maceker數(shù)的解析表達(dá)式。數(shù)值求解可知：外加軸向磁場(chǎng)對(duì)電弧的穩(wěn)定性作用效果顯著。正向磁場(chǎng)能夠使短波長(zhǎng)的擾動(dòng)穩(wěn)定，而反向軸向磁場(chǎng)能夠使長(zhǎng)波長(zhǎng)的擾動(dòng)穩(wěn)定。還討論了其它因素如弧半徑、弧電流和電導(dǎo)率等對(duì)電弧的影響。 (4) 采用二維軸對(duì)稱磁流體模型對(duì)大電流直流電弧等離子體發(fā)生器進(jìn)行了隨時(shí)間演化的數(shù)值模擬，得到了電弧柱內(nèi)、外的電流場(chǎng)分布