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ANSYS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。