感應(yīng)耦合等離子體風(fēng)洞高頻放電數(shù)值模擬研究

發(fā)布時間：2020-05-09 05:18

【摘要】：為了研究再入飛行器熱防護材料、開展飛行器氣動性能測試實驗,近年來,世界各國紛紛建立了不同類型、不同級別的等離子體風(fēng)洞實驗設(shè)備,如電弧加熱風(fēng)洞、激波風(fēng)洞、感應(yīng)耦合等離子體風(fēng)洞(也稱為高頻感應(yīng)等離子體風(fēng)洞或射頻等離子體風(fēng)洞)。由于感應(yīng)耦合等離子體具有無電極污染,溫度均勻,弧區(qū)大,能提供純凈熱源,工質(zhì)不受限制等特點,它在航空航天、冶金、化工等工業(yè)領(lǐng)域中有著巨大的應(yīng)用前景�；诟袘�(yīng)耦合等離子體源有著非常重要的應(yīng)用前景,非常有必要對感應(yīng)耦合等離子體放電特性進(jìn)行詳細(xì)的研究。本文主要研究10千瓦氬氣感應(yīng)耦合等離子體風(fēng)洞在典型工況氣壓p=4000 Pa條件下不同放電狀態(tài)對感應(yīng)耦合等離子體放電特性的影響,同時分析了不同工作參數(shù)(放電頻率、工作壓力、線圈功率和質(zhì)量流率)下非平衡感應(yīng)耦合等離子體的放電特性,為感應(yīng)耦合等離子體風(fēng)洞優(yōu)化設(shè)計及其工業(yè)應(yīng)用提供理論指導(dǎo)和基礎(chǔ)理論數(shù)據(jù)。本文針對柱狀感應(yīng)耦合等離子體的放電過程建立了二維軸對稱幾何模型,在數(shù)值模型過程中,我們使用流體力學(xué)模型分別建立了平衡態(tài)和非平衡態(tài)感應(yīng)耦合等離子體數(shù)值模型,獲得不同放電狀態(tài)下的數(shù)值模擬結(jié)果,然后將數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果進(jìn)行對比分析,可以看出,使用非平衡模型得到的感應(yīng)耦合等離子體的流場結(jié)果與實驗結(jié)果更加一致,從理論上講也更加合理。接下來我們分析了不同工作參數(shù)對非平衡態(tài)感應(yīng)耦合等離子體放電的影響。計算結(jié)果表明:等離子體炬內(nèi)最大電子數(shù)密度隨著工作壓力和線圈功率的增大而增大,隨著放電頻率和入口質(zhì)量流率的增大而減小;最大電子溫度隨著線圈功率的增大而增大,隨著放電頻率、工作壓力和入口質(zhì)量流率的增大而減小;等離子體炬內(nèi)最大氣體速度隨著線圈功率和入口質(zhì)量流率的增大而增大,隨著放電頻率和工作壓力的增大而減小;同時可以發(fā)現(xiàn),等離子體炬內(nèi)最大平均溫度隨著工作壓力和線圈功率的增大而增大,隨著放電頻率和入口質(zhì)量流率的增大而減小。
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