Ar介质感应耦合等离子加热器能量转化与流动特性

摘要

对感应耦合等离子(inductively coupled plasma,ICP)加热器内能量转化过程与分布规律、流动特性的研究和认识能够为高频等离子加热器的设计提供理论指导,同时能够为加热器向大功率、多介质、广适用方向的发展提供支撑.基于二维轴对称、层流流动和局部热力学平衡等假设条件,利用COMSOL对百千瓦级Ar介质柱状ICP加热器进行了磁场、流体传热和层流3个物理场的耦合计算,得到等离子加热器内的温度场、能量分布和流场,并对能量转化、热量传递和流动过程进行了分析.同时,通过与光谱法测量得到温度进行对比,数值模拟模型建立的合理性得到验证.研究结果发现由于趋肤效应,高频感应耦合等离子加热器内最高温度区域对称分布在感应线圈覆盖区距外石英管一定距离处,中心区域温度略低.加热器下游中心及出口一定范围内为高温区且温度均匀,之后向两侧温度不断降低.加热器内气流高速区在最底匝线圈及其下游的中心区域,加热器上部存在回流区.