大功率热平衡感应耦合等离子体数值模拟及实验研究

摘要

感应耦合等离子体发生器是"临近空间高速目标等离子体电磁科学实验研究装置"的核心部件之一,常用于模拟高焓高速等离子体鞘套环境,为了研究大功率射频中压下感应耦合等离子体发生器的放电特性,采用数值模拟和实验相结合的方法研究其内部的传热与流动特性.本文基于局域热力学平衡条件,通过湍流场-电磁场-温度场的多场耦合开展了功率为100—400 kW的大尺寸射频中压感应耦合等离子体的数值模拟,并通过光强与光谱实验验证.结果表明:大功率等离子体发生器中的电磁场分布类似于中小型功率等离子体发生器;放电能量耗散主要发生在感应线圈所在的区域;石英管内壁温度在线圈所在处比其他区域较高,等离子体呈环状高温结构;等离子体受温差效应与电磁泵效应影响使得入口处产生回流涡.同时开展相应条件下的放电实验发现氩气放电的轴向图像呈边缘高亮与中心暗的环状结构,并通过光谱诊断系统测量氩等离子体的发射光谱,得到发生器电子温度的空间分布,COMSOL仿真温度结果与放电图像光强、光谱测得电子温度较为符合,验证了采用热力学平衡态条件进行数值模拟结果的有效性.本文数值模拟的结果可用于感应耦合等离子体发生器的优化设计及耐温评估.