《減壓直流電弧電漿發生器近陽極區邊界層特性研究》是依託北京航空航天大學，由王海興擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：減壓直流電弧電漿發生器近陽極區邊界層特性研究
- 依託單位：北京航空航天大學
- 項目負責人：王海興
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
本項目以在材料加工領域有廣泛套用前景的減壓直流電弧電漿發生器的研製為研究背景，採用數值模擬和實驗研究相結合的方法，系統研究以氬、氬-氮、氬-氫為工作氣體的減壓直流電弧電漿發生器內部近陽極區邊界層的熱力學和化學非平衡特性。數值模擬中將針對電漿發生器記憶體在的熱力學和化學非平衡現象，發展完善用於描述減壓電漿發生器內部過程的物理數學模型，建立發生器常用工作氣體及其混合物在較大溫度、壓力範圍內的電漿物性資料庫，結合實驗測量結果完善數值模擬方案。系統研究氣體流量、種類、弧電流、環境壓力和發生器結構尺寸對電漿發生器內陽極邊界層特性的影響，並在此基礎上細緻考察陽極邊界層內帶電粒子的運動擴散機制與電弧貼附方式之間的聯繫。將獲得廣闊壓力範圍內電漿發生器系統性的數值模擬和實驗結果，加深對其內部物理過程的理解，為發生器設計最佳化、狀態參數調整提供參考依據，促進相關技術的套用。
結題摘要
本項目以直流電弧電漿非平衡電漿流動與傳熱為背景，採用數值模擬和實驗研究相結合的方法，系統地研究了以氫、氮及氫-氮混合物為工作氣體的電漿流動邊界層內熱力學和化學非平衡特性。在研究過程中，提出了化學動力學過程選擇的準則和方法，並在此基礎上發展了合理自洽的化學非平衡模型。根據發生器內電漿流動的特點，提出了確立流動邊界層、傳熱邊界層的方法，可以更加合理評估發生器內電漿流動、傳熱和非平衡狀況及其與發生器性能的關係。研究表明，在發生器下游和邊界層記憶體在著明顯的偏離熱力學和化學非平衡的情況。在電弧中心區和在電弧貼附區電子產生率為正，而在邊界層內電子產生率為負，說明電流的導通主要依靠電子向陽極的擴散。由於邊界層內氣體溫度較低，因而電子與分子組分的非彈性碰撞是電子能量損失的重要途徑。 在綜合考慮化學動力學、溫度梯度、壓力梯度驅動力的基礎上，發展了自洽的電漿多組分擴散處理方法，對各種組分的分布特性和演化過程進行了系統的研究。研究表明對於氮氫混合物，解離和電離是組分分離產生的主要原因，氫組分通常富集在電弧的中心因而成為電能轉化為氣體熱能的主要載體，而在電極附近氫組分的富集主要是由於較低的複合溫度而導致，氫組分在陽極附近複合釋放的熱量是電極燒蝕的主要原因。本項研究加深了對電弧電漿熱力學與化學非平衡流動、組分擴散過程的了解，有助於促進相關的技術套用。
