電弧等離子體炬中傳熱與流動(dòng)的數(shù)值模擬(已修改)
2025-08-21 13:26 本頁面
【正文】 電弧等離子體發(fā)生器中傳熱與流動(dòng)的數(shù)值模擬*黎林村，夏維東**（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)熱科學(xué)與能源工程系，安徽 合肥 230027）摘 要： 本文利用CFD軟件FLUENT，將等離子體發(fā)生器陽極歸入計(jì)算域，對(duì)其內(nèi)部的傳熱與流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。計(jì)算結(jié)果表明，在本文中，將陽極邊界簡(jiǎn)化為等溫條件是合理的。提高進(jìn)氣速度或減小電弧電流，都會(huì)使得陽極弧根向下游移動(dòng)。等離子體發(fā)生器出口處溫度和速度符合拋物線型分布。關(guān)鍵詞： FLUENT，數(shù)值模擬，電弧等離子體發(fā)生器中圖分類號(hào)： 熱等離子體射流作為一種具有強(qiáng)化學(xué)活性及高能量密度的能束流，在材料加工領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[14]。因此，很多國內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量或數(shù)值模擬研究。由于缺乏可靠的邊界條件，大多數(shù)的數(shù)值模擬研究在等離子體射流入口處都采用了假設(shè)的溫度與速度分布，極大的影響了整個(gè)模擬工作的準(zhǔn)確性[24]。模擬計(jì)算等離子體發(fā)生器內(nèi)部的傳熱與流動(dòng)，從而將其出口邊界作為射流入口，無疑可以彌補(bǔ)這一缺陷[5,6]。在文獻(xiàn)[5,6]中，為簡(jiǎn)化計(jì)算，其計(jì)算未包括電極區(qū)域，而是將陽極邊界直接簡(jiǎn)化成了等溫條件。而一般來說，把電極和電弧本身作為一個(gè)整體進(jìn)行數(shù)值模擬將更能反映發(fā)生器中真實(shí)的傳熱與流動(dòng)規(guī)律。因此，這樣簡(jiǎn)化的合理性還需要進(jìn)一步檢驗(yàn)。FLUENT是基于有限容積方法的通用CFD軟件。近年來，國外學(xué)者通過輸入變物性參數(shù)和電勢(shì)方程，將FLUENT應(yīng)用于電弧等離子體領(lǐng)域的數(shù)值模擬工作，取得了理想的結(jié)果[79]。而目前，國內(nèi)電弧等離子體領(lǐng)域?qū)LUENT的應(yīng)用才剛剛開始[10]。 , 將等離子體發(fā)生器陽極區(qū)域歸入計(jì)算域， 對(duì)氬氣等離子體發(fā)生器內(nèi)部的傳熱與流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。在求解能量方程時(shí)，考慮了電極與等離子體交界面處特殊的傳熱機(jī)理。計(jì)算結(jié)果表明，在本文中將陽極邊界簡(jiǎn)化成等溫條件是合理的。1 數(shù)學(xué)模型 計(jì)算域和基本假設(shè)圖1為本文所模擬的電弧等離子體發(fā)生器示意圖，ab和bc為陰極壁面，cd為工質(zhì)氣體進(jìn)口，ef為等離子體發(fā)生器出口，de和gh分別為陽極內(nèi)外壁面?？紤]到磁流體的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，本文采用如下假設(shè)：（1） 電弧等離子體是軸對(duì)稱的，計(jì)算時(shí)采用二維柱坐標(biāo)；（2） 電弧等離子體處于局域熱力學(xué)平衡狀態(tài)(LTE)，等離子體流動(dòng)是穩(wěn)定的層流流動(dòng)；（3） 電弧等離子體是光學(xué)薄的；（4） 在1atm氬氣環(huán)境下，忽略等離子體流動(dòng)的可壓縮性，等離子體的熱力學(xué)性質(zhì)和輸運(yùn)性質(zhì)僅與溫度相關(guān)；（5） 忽略電弧自感應(yīng)電場(chǎng)和重力場(chǎng)的影響。 控制方程和邊界條件建立在以上假設(shè)的基礎(chǔ)之上，發(fā)生器內(nèi)部電弧的行為可以用磁流體力學(xué)（MHD）方程組來描述，其詳細(xì)控制方程參見文獻(xiàn)[7]。為得到合理的數(shù)值解，本文采用如表1所示
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