直流电弧等离子炬温度场-电场分布特性数值模拟

由于热等离子体技术能源利用率高、工艺清洁且效果良好,在固体废弃物焚烧处理中已成为热点开发技术,其中,直流电弧等离子体是近年来放射性固废处理领域的重点研究技术。工业用等离子炬作为实现这一技术的核心装置,其内部温度极高、温度场与电磁场耦合,且实验测试困难,因此发生装置的开发和优化设计必须借助数值模拟手段。以直流非转移弧等离子炬为对象,基于Fluent软件用户自定义函数(user-defined function,UDF)与用户自定义标量(user-defined scalar,UDS)的二次开发功能,通过分析热等离子体的热力学特性,将数值模拟过程与工质气的物性参数(热力学系数、输运系数)、控制方程组源项变化及电极电流分布进行动态链接,建立了2维轴对称的磁流体动力学(magnetohydrodynamics,MHD)计算模型;并采用合理的边界条件,通过求解流体力学控制方程组与麦克斯韦方程组,得到了等离子炬内特征物理参数的分布规律。结果显示:阴极附近电位降显著,电流密度分布集中;层流条件下弧柱区温度分布均匀,中心温度为全流域最高,区域边缘温度梯度较大;阳极附近存在电流密集分布区域,可作为弧根位置预测依据。针对电弧在电极表面的附着现象,后续可继续进行电极–等离子体的耦合模型计算,以得到设备内壁面更加准确的温度分布。     

电极参数对石墨化电炉热电场的影响

建立了连续式石墨化电炉电场、温度场的计算模型,利用数值计算方法对其石墨化过程进行了热电耦合计算,得到炉内电场、温度场的分布规律。结果表明,电炉的发热区域主要集中在两电极之间;电场强度、电流分布趋势相同,两者高值均分布在电极附近;高温区域主要分布在两电极间中下部,温度可达到2 400.0 ℃以上,但其高温区域分布大小、温度峰值与电极参数有直接关系;随着电极间距的缩小,高温区域扩大,温度峰值升高,且温度升高幅度随着电极间距的缩小而增加;随着电极直径的增加,高温区域扩大,温度峰值升高,温度升高幅度随着电极直径的增加而增加;随着电极深入物料长度的增加,高温区域扩大,温度峰值升高,但温度升高幅度随着电极深入物料长度的增加而降低。     

DQ-100型中电流等离子弧焊枪获国家专利

西北工业大学材料科学与工程系焊接教研室田丽、李京龙、林谦生等研制的“DQ-100型中电流等离子弧焊枪”于1992年10月14日获国家专利,专利号为91232391·4.DQ-100型中电流等离子弧焊枪是一种结构设计合理,外形美观,重量较轻的中电流等离子弧焊枪,它具有使用方便,绝缘性能好、重复引弧特性好,工作寿命长,装拆简单,价格便宜的优点.DQ-100型中电流等离子弧焊枪的研制成功,填补了国内中电流等离子弧焊接工业生产的空白,摆     

直流电弧炉熔池内电磁流体流动与传热的数值模拟

建立了描述直流电弧炉内磁场强度、电流密度、速度场、温度场的数学模型。数值求解控制方程，绘制了描述３０ｔ直流弧炉熔池的磁场强度、电流密度、洛仑兹力、流函数、速度及温度分布曲线，预示与测定的温度场相符合，计算的循环流量与有关文献的相一致。     

地铁杂散电流引起变压器直流偏磁电流的相关性分析

地铁运行过程中泄露的杂散电流导致附近地表电位发生改变,使各个接地变压器处于不同的地电位上,引发变压器的直流偏磁.为探究地铁杂散电流引起变压器直流偏磁电流之间的数值关系,针对地铁的双端供电模式的运行环境,研究地铁供电系统中杂散电流泄露方式与引起变压器直流偏磁的流通路径,揭示地铁运行过程中变压器直流偏磁的产生机理;基于双端供电的杂散电流分布离散模型,考虑杂散电流的泄露路径对变压器直流偏磁的作用机理,搭建杂散电流引起变压器直流偏磁电流的等效电阻模型,建立变压器直流偏磁电流随地铁运行工况变化的计算方程,实现由杂散电流引起的沿线变压器中性点直流电流的数值分析与计算;利用CDEGS仿真模型验证该模型的有效性,能够准确计算地铁站附近的变压器中性点直流偏磁电流,对地铁站、变电站的规划建设具有一定的指导意义.     

直流真空断路器弧后介质恢复特性影响因素分析

直流真空断路器采用人工过零的方式实现故障开断,是当前直流系统兼具经济性与可靠性的控保方式之一,其弧后介质恢复特性是判定故障开断成功与否的关键条件。为探究直流真空断路器电磁与机电参数耦合作用下介质恢复特性的影响因素,本文基于连续过渡模型、能量守恒定律和电荷守恒定律,建立了零区带电粒子数密度计算模型,研究了触头型面参数和零前电流下降率影响下的零区带电粒子数密度分布;通过搭建12 kV直流真空断路器配永磁斥力机构运动特性测试平台,实验测得机构位移-时间特性曲线,研究了短路开断电流、零前电流下降率和换流投入时刻影响下的零区极间距分布。在此基础上,基于漂移扩散方程、Maxwell-Stefan方程和泊松方程,建立了弧后鞘层发展模型,以求得电磁与机电参数影响下的电场强度最大值;并与零区金属蒸气压和短路开断电流影响下的临界击穿电场强度进行对比分析,进而评估不同换流投入时刻、零前电流下降率、暂态电压上升率、触头直径下的弧后介质恢复强度。此外,求得了直流真空断路器可靠开断时零前电流下降率和换流投入时刻的极限安全域,以及电磁与机电参数耦合作用下的最小安全间隙与开断电流极限,为设计满足可靠开断要求的直流真空断路器灭弧系统结构参数与换流参数群组提供解决方案。     

反极性弱等离子弧阴极斑点行为

本文探讨了反极性弱等离子弧阴极斑点游动特性。对阴极斑点、电弧电流与电弧电压三者分布之间关系,阴极斑点能量对电弧能量分布的影响进行了研究。研究结果表明,反极性弱等离子弧一系列基本特性及其新型的堆焊机理,取决于阴极斑点行为。     

民用等离子加热成套技术装备

所属单位 中国航天空气动力技术研究院 产品简介 民用等离子加热成套技术装备主要由等离子枪系统、IGBT直流整流电源系统、高频起弧系统、PLC控制系统等4个子系统，以及冷却水、介质气体供给系统等辅助系统组成。     

三维非轴对称直流电弧射流过程数值模拟

基于磁流体动力学(MHD)理论,建立了三维非轴对称电弧射流流动-传热-电磁耦合模型,对直流电弧的流动、传热、电磁之间存在着的耦合过程进行了分析,模型计算结果与已有的文献数据结果进行了比较,结果吻合较好.采用有限体积法对电孤射流的温度场、流场以及电磁场进行耦合数值求解,研究了电弧在时间和空间上演变过程炉内温度场、流场的分布.输入电流为2160A时,电弧最高温度达到20000 K,最大射流速度达到1600 m/s.电弧从阴极到阳极的射流形态呈现螺旋偏转,电弧的温度场、流场分布在时间和空间上发生剧烈变化,这和文献报道的二维轴对称直流电弧模型得出的结果有明显区别.研究结果可进一步加深对直流电弧炉的起弧、偏弧以及冶炼过程的理解,对研究直流电弧形态的变化规律和电弧炉内传热过程有一定的实际指导意义.     

等离子弧加工的热过程分析与温度计算

为实现对等离子弧加工工艺过程的有效控制，从等离子弧的物理性质入手，在理论上分析了等离子弧作为圆形高斯分布热源的加工热过程，从而对等离子弧加工的工艺参数范围进行理论计算，并通过试验进行验证，为加工工艺过程提供了量化依据。     

等离子枪体内部流场和温度场的模拟分析

为改善等离子枪体结构设计，使枪体冷却系统更加完善，用ANSYS有限元分析软件对等离子枪体内部的三维流场和温度场进行了模拟计算，得到了枪体内部的三维温度场与流场分布图.在温度场分布图中，枪体高温区域在钨极弧处及其周围区域，但高温区域并不是轴对称的，而是向着喷嘴起弧点偏斜.通过对枪体内部流场的矢量分析及作特征点的流速曲线图，确定了冷却水道的两个涡流区，结合温度场分布图，得出等离子枪体工作时最薄弱处为靠近喷嘴起弧位置的水道死角.最后，提出消除或减弱冷却薄弱冷却薄弱部位的方法，以提高等离枪的使用寿命.     

镁合金钨极氩弧焊焊接电弧电势与电流密度的数值模拟

为了分析钨极氩弧焊(GTAW)焊接电弧电势与电流密度在三维电弧空间内的分布,以镁合金的GTAW焊接电弧为研究对象,建立了包含焊丝、焊接电弧以及工件的三维瞬态联合数值模型,对电弧等离子体的电场进行了数值计算,之后得到了电弧电势与电流密度在电弧空间的分布。研究结果表明:在整个电弧空间中电极端部的电势梯度最大,并在此处产生了最高的电流密度。在焊接条件稳定的前提下,电极正下方对称轴线上电流密度最大,弧柱中心处的电流密度要高于周边区域。电弧横断面上的电流密度在弧长1,2,3,5mm处及工件表面上均符合高斯分布。     

等离子发生器中流场的组织与电极冷却

空气等离子点火技术可以加速燃料燃烧的物理化学过程，扩大点火的浓度极限，提高点火的可靠性及燃烧的稳定性，本文用等效的内部加热区代替产生欧姆热的电弧，对等离子发生器内的热力学平衡和化学非平衡的空气热流体场进行了数值模拟，分析了进气预旋角，进口气流总压和喷嘴气流压缩角对电极斑点附近的电极表面温度的影响。讨论了电极烧蚀之后电极表面温度的变化，通过对数值模拟结果的分析，提出了等离子发生器的结构设计和电极冷却方式的合理建议。     

等离子枪体喷嘴结构和尺寸对电弧能量的影响

为了研究等离子枪体喷嘴结构和尺寸对电弧能量特征的影响,建立了等离子电弧的数学模型,并采用计算流体动力学（CFD）软件求解了等离子流体质量、动量及能量守恒方程和麦克斯韦方程组.通过对等离子枪体的电弧模型进行求解,得到了等离子电弧沿轴向的温度和速度分布.在此基础上研究了喷嘴通道长度、喷嘴直径和喷嘴压缩角对等离子枪体电弧的影响.结果表明：喷嘴通道长度的增加对等离子电弧的压缩效果影响较小;喷嘴孔径的减小对电弧的压缩效果则很明显.当通道比为1~1.2时,电弧温度和流动速度比较稳定,对阳极表面压力较小,对焊接成形有利.     

等离子体发生器结构对热效率的影响研究

为了研究层流等离子体发生器结构对发生器热效率的影响,进而指导层流等离子体发生器的设计,通过实验获取了两种不同结构层流等离子体发生器在相同工作参数下的弧压和热效率。根据实验结果对两种不同结构层流等离子体发生器的弧压特性和热效率进行对比分析。分析结果表明：采用纯氮气作为工作气体时,在相同工作参数下,虽然分段式阳极结构层流等离子体发生器的弧压较高,但其热效率较传统两极式层流等离子体发生器低。     

配料对焚烧飞灰电弧炉熔渣晶化行为的影响

将垃圾焚烧飞灰电弧炉熔融处理后的液态熔渣直接浇铸成型后热处理,运用同步热分析仪、X射线衍射仪和扫描电镜等方法,研究废玻璃和晶核剂(TiO2和Cr2O3)等辅助原料的添加对微晶玻璃晶化行为及性能影响.研究表明,适量掺加废玻璃对微晶玻璃理化性能有显著改善,晶核剂类型及添加比对微晶玻璃主晶相和晶化程度影响较大,微晶玻璃的理想原料配比为m(废玻璃)∶m(垃圾焚烧飞灰)=1∶1,晶核剂TiO2添加质量分数为3%,制成的微晶玻璃主晶相为透辉石Ca(Mg,Al)(Si,Al)2O6和少量普通辉石Ca(Mg,Fe,Al)(Si,Al)2O6,抗弯强度54.96 MPa,主要理化性能达到或优于天然花岗岩和大理石,重金属浸出浓度低于国际建材环保要求限值.     

层流等离子体发生器设计关键技术研究之双弧现象

分段式结构设计通常被应用于层流等离子体发生器的结构设计中,以避免产生大尺度分流现象,进而避免层流等离子体射流产生脉动。然而,在分段式层流等离子体发生器中,当中间电极长度较长时,经常在该中间电极上产生一个新的阳极弧根和阴极弧根（即双弧现象）,导致该电极热负荷严重,造成电极的严重烧蚀和等离子体射流的波动。为了延长层流等离子体发生器中间电极寿命,提高层流等离子体射流稳定性,必须对双弧现象加以抑制。本文基于假设条件,首先建立了层流等离子体发生器正常工作时和产生双弧现象时的分析模型,分析了双弧现象产生机理,并基于最小电压原理,推导出层流等离子体发生器不产生双弧现象对中间电极的尺寸要求;然后,基于前述双弧现象产生原理分析和理论推导,确定了抑制层流等离子体发生器产生双弧现象的措施如下：一是,增加冷气膜击穿电压U_b,使电弧与弧室壁的电势差不足以击穿二者间的冷气膜;改善等离子体发生器冷却通道,优化其对弧室壁的冷却效果,进而降低冷气膜的温度;增大工作气体流量,增强对电弧的压缩,进而增加冷气膜的厚度。二是,限制中间电极轴向长度,降低电弧在对应中间电极区间的电压降,即任意中间电极在轴向的长度均满足最小电压要求。     

载流环形板的热磁弹性分析

对置于磁场中的载流环形板的热磁弹性问题进行了理论分析,讨论了载流板的温度、应力、位移与外加电磁场、温度场以及机械载荷的关系.首先根据电动力学方程和广义欧姆定律得到了载流薄板的电流密度的分布,考虑到焦耳热效应及热平衡方程,得到了由于焦耳热效应产生的置于磁场中的载流环形板的温度场;同时引入了热传导方程,得到了外加温度场引起的环形板内部的温度分布,并认为两种温度场相互独立且满足叠加原理,从而得到了载流环形板的温度分布.其次在建立载流板壳的电磁场、温度场、机械场耦合非线性运动方程,物理方程、几何方程及电动力学方程的基础上,得到了板壳热磁弹性问题的基本方程.最后应用准线性迭代方法,得到了关于热磁弹性问题的线性迭代方程组,整理成含有8个基本未知函数的标准柯西型,即变换成能用离散正交法编程求解的准线性微分方程组,应用自编程序,得到该问题的数值解.变换电磁参量,讨论了载流环形薄板应力、温度及变形随外加电磁参量的变化规律;根据圆环形板的挠度与参量之间的变化规律,并通过实例证实了可以通过改变电、磁、力场的参数来实现对板壳的应力、应变状态的控制.     

自然对流对界面形貌、流场和温度场的影响

为了探究固液界面形貌、界面附近流场和温度场与自然对流强度的关系,设计了实验装置,用物理模拟和数值模拟的方法,研究了自然对流强度对透明有机材料固液界面的形貌、界面附近流体速度和温度分布的影响.结果表明,自然对流使固液界面发生弯曲,界面呈不对称形状;靠近固液界面的液体以边界层的方式流动;Rayleigh数较小时,界面附近的液体温度呈线性降低;Rayleigh数较大时,远离界面的液体温度几乎是均匀的,界面处液体温度迅速降低.可见,自然对流强度是影响固液界面形貌、界面附近液体速度和温度分布的重要因素.