高频感应热等离子体中颗粒运动和加热的研究

颗粒在热等离子体中运动和加热的研究，有广泛的工业应用价值。本文通过颗粒与热等离子体相互作用的计算，给出了颗粒在热等离子体中运动轨迹和加热历程的一些数值模拟结果，为有效控制颗粒的运动轨迹和在高温区的停留时间，提供了依据。     

等离子体合成射流激励器的流场特性分析

等离子体合成射流作为一种新型的主动流动控制技术,是针对传统合成射流激励强度差而设计的。利用Fluent 6.3软件,采用结构化网格,对等离子体合成射流激励器流场进行了二维非定常数值模拟,研究单次放电激励器流场的演化规律,并且比较了不同放电时间尺度对激励器出口速度的影响。研究表明:等离子体合成射流激励器能够产生高速射流,最大速度达到439 m／s,大大增加了流场湍流度;激励器放电时间越长,出口峰值速度越大。计算结果表明等离子合成射流激励器能够应用于高速流动控制。     

空气暖等离子体射流发生器降温系统设计

为了更好满足等离子体射流发生器便携、易操控、应用环境多样性等要求,针对传统水冷笨重、难以移动等缺点,在发生器电极、冷却结构等方面设计了以空气为工作气体并且兼具冷却功能的气体回路便携式暖等离子体射流发生器,研究了工作气体流量、放电频率、放电电压对等离子体射流温度的影响规律.研究发现,冷却气体的引入明显降低了射流温度,在5.5 kV电压、22 kHz频率和7 L/min流量条件下,冷却气体的引入使得射流温度降低了302℃.射流温度随着气体流量和放电频率的增加而减小、随放电电压的增加而增加.相对于放电频率或放电电压,射流温度的降低对气体流量依赖性更强.     

操作参数对等离子体射流传热和流动的影响

应用大气压热等离子体射流传热与流动的三维数学模型,预测了氩等离子体射流射入空气环境时的温度、速度及卷吸空气质量分数分布,并与文献中同等条件下的实验结果进行了比较,结果相吻合.在此基础上,分析了射流入口温度和速度变化、工作气体中添加高导热系数气体以及液料注入对射流卷吸环境空气和热等离子体射流传热与流动过程的影响.     

伴燃等离子体射流的计算公式

从等离子体的基本方程出发，提出了煤粉锅炉点火与伴燃用等离子体射流的计算公式。本文的结果为进一步进行等离子体点火装置的优化设计及结构分析提供了新的手段。     

光谱法研究大气压氩气等离子体射流的气体温度

采用针-板介质阻挡放电结构的射流装置,在大气压空气环境下产生了氩气等离子体羽.通过采集外加电压、电流及发光信号发现,在电压正、负半周期各有一个电流脉冲.就电流峰值而言,正脉冲大于负脉冲.等离子体羽的发射光谱包含氩4p→4s跃迁谱线、氮分子第二正带系(C~3Π_u→B~3Π_g)、带头位于308.0 nm的OH转动谱线(A~2Σ~+→X~2Π)和777.4 nm的氧原子发射谱线.通过拟合N_2(C~3Π_u→B~3Π_g)和OH的转动光谱,可以获得等离子体羽的气体温度.研究发现,拟合N_2第二正带系得到的气体温度要高于拟合OH转动光谱得到的气体温度.分析表明,氩的亚稳态Ar(4s)能够将能量转移给基态N_2,使其跃迁到高转动能级的激发态(C~3Π_u).因此,这种传能导致具有高转动能级氮分子布居数的增加,进而导致利用其计算得到的气体温度相对较高.利用OH的转动谱带拟合计算了气体温度,并研究了气体温度随实验参数的变化.结果表明,增大峰值电压及气体流量导致气体温度升高,但增加驱动频率气体温度降低.     

电弧等离子体射流核脉动及射流形貌

电弧等离子体射流中的脉动是等离子体射流的典型物理现象之一。采用电弧等离子体光谱诊断及数字高速摄影的方法对常压电弧等离子体射流核进行了研究 ,采用了Fourier变换的方法分析弧电压和射流光谱强度信号 ,发现电源的交流分量和阳极弧点运动对整个射流核的脉动特性都有影响 ,射流并不存在一个处于稳定状态的核心区域。相反 ,从谱线强度脉动和弧电压脉动的 FFT分析图中可以看到 ,射流核的脉动是由电弧电压脉动及电弧分流现象共同造成的 ,这可能是射流核脉动的最主要原因。等离子体射流的高速摄影照片表明 ,等离子体喷枪的功率也对射流的脉动特征有着重要的影响     

轴对称等离子体射流的实验研究

等离子体射流具有广泛的应用前景。建立了轴对称等离子体射流的模型,得出层流状态下等离子体射流的长度与流量成正比。采用Ne、He、Ar在大气压下用介质阻挡放电的手段得到了等离子体射流,发现层流状态下等离子体射流长度与模型结论一致,但是随着激励电压的升高和气体流量的增大,等离子体射流会发生从辉光放电到丝状放电、从层流到湍流的转捩,射流长度会先增大后减小;工作气体的不同对等离子体射流的性质也有重要影响。     

脉冲电压对大气压脉冲放电等离子体射流的影响

在固定脉冲频率及占空比的情况下,研究脉冲电压对大气压脉冲放电等离子体射流长度的影响。分析脉冲放电的电流电压波形、等离子体射流的光发射强度的时空演化过程以及等离子体子弹速度的变化。结果表明:等离子体子弹随脉冲电压的增大由单子弹变为双子弹再变为单子弹;射流长度相应地先增长然后趋于稳定,射流长度由增长转变为稳定的转变电压正好处于形成双子弹的脉冲电压附近。     

电磁磨料射流直管射流水介质运动特性数值模拟分析

针对传统磨料设备存在的技术瓶颈,结合电磁磨料射流的技术优势,建立标准的k-ε涡黏模型.基于有限体积法方法模拟加速后的金属磨料粒子对水平圆管流道内水介质的加速和受力特性,揭示金属磨料粒子周围附近水介质的加速影响规律。研究表明,除金属磨料粒子前端附近水介质,金属磨料粒子表面附近其他区域水介质受到压力值较小,金属磨料粒子上侧和下侧附近水介质压力最小;距离金属磨料粒子中心10 mm甚至更远距离,水平圆管管道流体速度变化趋于平缓,水平圆管中心轴线附近水介质区域速度达2. 3 m/s左右;金属磨料粒子前端附近水介质加速趋势相对缓慢,金属磨料粒子后端附近水介质加速趋势显著,在金属磨料粒子后端附近水介质速度峰值可达到14 m/s。     

等离子熔射射流中粉末飞行过程的数值模拟

在正六边形7-bit格子Boltzmann(LB)方法等离子射流的温度场和速度场的计算模型基础上,采用单个颗粒加速方程,建立了一个随机算法,实现了对粉末颗粒在射流场中运动过程的模拟;计算结果通过动画演示了,粉末飞行过程,结果表明在射流场一定的情况下,减小送粉口径或增加粉末颗粒直径可以提高粉末利用率。但后者会降低粉末飞行速度;选择合适的喷涂距离可以获得更高的粉末飞行速度．     

基于格子玻耳兹曼的等离子射流场数值模拟

采用格子玻耳兹曼(LB)方法建立了等离子射流温度场和速度场的计算模型，与传统数值方法相比，LB方法具有直观的物理背景．用正六边形7-bit网格划分计算区域，通过选取适当的两套平衡分布函数和采用Chapman-Enskog展开及多尺度技术导出了等离子射流场的宏观方程，并将计算结果与已有文献的实验结果进行了比较，验证了计算模型的有效性；计算结果表明，减小紊流粘度可以提高射流的能量密度和有效长度．     

冷喷涂材料改性研究中超音速冲击射流流场数值分析

针对冷喷涂材料表面改性技术研究中，超音速冲击射流流场存在激波、分离流等复杂的物理现象，采用扩展压强校正法求解用紊流模型封闭的可压缩湍流平均N—S方程组，利用交错网格系统抹平迭代过程中的数值振荡．并通过高分辨率的离散格式进一步改善校正法的激波捕获效果，对冷喷涂工艺中的超音速冲击射流流场进行了详细的数值模拟，可为冷喷涂实验及机理研究提供重要依据．     

弹体侧向喷流流动干扰数值模拟与分析

通过求解三维N-S可压缩方程,对弹-翼组合体的侧向喷流流场进行数值模拟.研究了不同喷口位置,不同喷流压力下的干扰流场.分析了流场结构,研究了流场干扰与气动力干扰的关系.结果表明,在超音速流场中,喷口位置的不同,会带来喷流放大因子的变化.喷口位置相对于翼偏转,即喷口与翼面的夹角增大,喷流放大因子相应增加,侧向喷流的控制效果更好.     

面向喷涂技术的等离子射流特性研究

结合纹影成像等测试技术和数值模拟技术，考察、记录和分析等离子喷涂过程中的现象与数据，揭示等离子射流动力学和热物理特性，研究上述特性对涂层质量的影响规律．结果表明，冷空气强烈卷入，导致射流温度、速度、浓度沿射流轴向和径向衰减很快，有必要采取附加保护喷嘴等措施，减缓空气卷入对涂层质量造成的负面影响．所建模型可为提高等离子喷涂涂层质量提供有益的指导．     

机器人等离子熔射成形过程模拟及实验研究

建立了机器人等离子熔射成形过程数学模型,采用ANSYS数值模拟软件对多周期的机器人熔射成形过程进行数值模拟.模拟分析了不同叠加角度条件下的多周期熔射成形过程并与实验结果进行了比较.结果表明采用90°轨迹叠加角度,可以获得具有最小残余应力分布和更加致密组织结构的金属皮膜,有利于提高熔射金属皮膜的成形性.     

氩氢摩尔比对直流电弧等离子体喷射法等离子体放电特征影响的计算

假定氩-氢等离子体处于局部热力学平衡状态,利用理想气体分子运动论和经典查普曼-恩斯科格( Chapman-Enskog)方法,在获取符合直流电弧等离子体喷射法实际工况的等离子体热力学和输运参数的基础上,基于FLUENT软件进行二次开发,添加电磁场相关的电流连续方程、安培定律等方程及洛伦兹力、焦耳热等源项,模拟研究氩氢摩尔比对等离子体放电特征影响规律。结果表明：在气压为8 kPa,工作电流150 A,氩氢摩尔比由3：1降至1：3时,等离子体最大流速由829 m· s-1增至1127 m·s-1,最高温度由20600 K逐渐降低至16800 K,电弧对基体的加热能力逐渐增强的同时使基体表面温度均匀性变差。在其他条件不变的前提下,氩氢摩尔比为1：2时能获得适宜金刚石生长且相对均匀的基体表面温度。     

等离子熔射直接制造可视化仿真软件的开发

根据Lattice Boltzmann方法计算原理,设计粉末运动随机算法,首次建立了等离子熔射直接制造技术LBM和随机算法计算模型,采用面向对象系统设计方法,自行开发了可视化动态仿真软件,分析了软件的结构、功能和实现。     

提升管内多股交叉射流的数值模拟

在内径为186 m的提升管冷模装置上,对单个及两个喷口横截面为40 m×10 m的矩形喷嘴,采用k-ε双方程湍动模型,通过对喷嘴出口边界条件的修正,进行了气相流动的数值模拟.射流气速为41.67 m/s,提升管底部来流气速为7.16 m/s.模拟结果显示,射流影响区约在喷嘴上方1.4 m处结束,根据射流流体在提升管内的流动形态,沿轴向可将其分为核心区,偏折区和发展区;射流的外轮廓为瓮形.模拟结果与实验结果相吻合.     

荷电水雾除尘过程中颗粒运动轨迹的数值模拟

基于牛顿运动定律，用拉格朗日法推导出了粉尘粒子在荷电水雾除尘过程中的轨迹方程，建立了单个粒子运动轨迹的数学模型。基于MATLAB自行设计了颗粒轨迹可视化软件包，利用该软件包对所建数学模型进行了计算机模拟，实现了粒子运动轨迹的快速成图。通过数值模拟研究，指出了静电力作用是低速小粒子被捕集的主要因素，证明了惯性碰撞作用及拦截效应在粉尘粒子被捕集过程中的重要作用。模拟试验结果表明该软件包设计合理、适用。