常压下直流微等离子弧输出特性模拟研究

摘要

微等离子弧因其能量密度大、能量利用率高、设备成本低、对环境要求不高等特点而得到广泛应用。但因其具有极高的温度和温度梯度，一直以来缺乏可靠、有效的实验设备直接进行温度等特性的测量。而微等离子弧的温度等输出特性对生产指导具有重要意义。
　　微等离子弧的数值模拟涉及到流动、传热以及电磁场的多物理场耦合，同时在阴极、等离子弧和阳极之间存在复杂的传热传质过程，在现今计算机技术的基础上，直接编程计算求解难度极大。因此，本文采用COMSOL Multiphysics5.2有限元软件，在流体力学、电磁学与传热学的理论基础上，建立了脉冲直流微等离子弧二维轴对称的数值模型。计算域包括阴极、喷嘴、阳极工件以及微等离子弧，计算模型接近于微等离子弧的实际工作状态。
　　本主要研究结果如下：(1)模拟得到脉冲直流微等离子弧各物理场的时变特性与空间分布。随着输入电流的变化，电势、电流密度、总热源均呈现出脉动性质。由于喷嘴的压缩作用，喷嘴内总热源、电流密度分布范围远小于微等离子弧的自由扩散区。同时发现，微等离子弧的主要热源组分为焦耳热；电子、重粒子的焓能转移在阴、阳极表面的影响效果明显。(2)在输入电流的上升沿，首先微等离子弧的电势达到峰值，击穿常温离子气形成等离子体，同时获得最大速度；然后电流密度与总热源达到峰值，等离子体温度急剧升高；最后，在输入电流达到最大值时，微等离子弧的电势、电流密度、总能源均以稳定的方式输出，温度与速度达到周期性的稳定状态。(3)模拟分析喷嘴孔径、喷嘴工件距、电流大小、离子气流量与阴极高度等主要参数对微等离子弧的影响。(4)通过数值模拟与实验测量的方式，比较直流恒流微等离子弧的弧柱区温度和电子数密度以及工件表面温度分布，对比结果十分吻合，验证了本文数值模型的可靠性。

目录

声明

1 绪 论

1.1 研究目的及意义

1.2 等离子弧

1.3 等离子弧数值模拟研究现状

1.4 本文主要内容

2 微等离子弧数值模拟基础方程

2.1 流体力学与麦克斯韦方程

2.2 传热学方程

2.3 COMSOL中等离子弧模型集成

2.4 本章小结

3 直流微等离子弧模拟

3.1 微等离子弧

3.2 脉冲直流微等离子弧模型

3.3脉冲直流微等离子弧随时间变化模拟结果

3.4 喷嘴结构与工艺参数对微等离子弧的影响

3.5 直流恒流微等离子弧的模型

3.5 本章小结

4 微等离子弧温度分布实验验证

4.1 直流恒流微等离子弧的弧柱温度测量

4.2 直流恒流微等离子弧的工件表面温度测量

4.3 本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间发表文章