直流电弧喷射等离子体炬阳极喷嘴积碳现象的研究

采用高功率直流电弧等离子体喷射化学气相沉积工艺,制备了不同厚度的自支称金刚石厚膜.实验发现,等离子体炬阳极喷嘴积碳是沉积过程中最突出的问题之一.从理论和实验两个方面研究了阳极积碳产生的原因,并通过激光拉曼光谱分析了碳球的结构和成分.结果表明,碳球由金刚石层、混合层和最外面的石墨层构成.详细分析了甲烷浓度、冷却水温度、放电电弧的局部高温、阳极喷嘴的表面质量对积碳形成的影响,并提出了改进措施.     

基于等离子体炬的磁流体动力学实验系统

针对磁流体动力学技术在高超声速飞行器、海洋波浪能、核能和太阳能等领域的应用需求开展磁流体动力学地面实验系统建设,详细介绍了基于等离子体炬的磁流体动力学实验系统的基本组成、设计思路和测试情况。研制了马赫数Ma=1.5的超声速喷管和磁流体试验段,在等离子体炬功率120 kW时测试通道内电导率最高达14 S/m,平均电导率约9 S/m,通过理论计算可知在电导率为9 S/m的情况下,一对测试电极的输出功率可达1 872.96 W,测试试验段整体输出功率达5 993.47 W。该地面实验系统可用于磁流体发电、磁流体加速、磁流体流动控制等磁流体动力学研究。     

阳极通道长度对等离子体射流点火器特性影响的实验研究

为进一步优化等离子体射流点火器的结构,提高点火器的工作性能,在自主设计的等离子体点火实验系统的基础上,开展了阳极通道长度对等离子体射流点火器特性影响的实验研究,选取的阳极通道长度为3mm,5mm和7mm。获得了等离子体射流点火器的放电特性、光谱特性、射流特性和点火特性。结果表明:增大阳极通道长度能够抑制电弧分流的幅度,减小电极的烧蚀面积,但提高了击穿电压,使引弧更加困难;随着阳极通道长度的增大,氮分子离子的转动温度和振动温度分别呈现出先升高后降低和先降低后升高的变化趋势;煤油/空气混合气的点火延迟时间随阳极通道长度的增加,呈现出先减小后增大的变化趋势,余气系数为1.43时,阳极通道长度5mm时的点火延迟时间为14.4ms,相对于阳极通道长度3mm,7mm下的点火延迟时间分别减小了21.1%,12.1%。     

交流电弧等离子体炬及其应用的研究进展

电弧等离子体因其高温、高能量密度、高活性等特点广泛应用于冶金、化工、能源环保以及航空航天等领域。目前,产生电弧等离子体主要采用直流或交流电源等驱动方式。由于交流电弧等离子体技术与其他方式相比,具有较低的装备开发与运行成本、较长的电极使用寿命以及较高的热效率等优势,在工业应用领域具有广泛的应用前景。本文综述了国内外多家研究机构在交流电弧等离子体技术和装备开发以及工业应用方面的最新研究进展,详细阐述了不同类型交流电弧等离子体炬的结构特点、电弧特性及其影响因素以及不同电极材料的烧蚀特性,同时,对于交流电弧等离子体炬在碳纳米材料的制备以及固体废弃物的热处理等方面的应用情况进行了详细的阐述,获得了不同类型交流电弧等离子体炬的工作特性和应用效果。     

小功率电弧喷射发动机的数值计算

为详细了解电弧喷射发动机内部工作过程和相关工作参数对其性能的影响，参照实验用发动机的工作参数建立了模型，数值模拟了电弧喷射发动机工作通道内流场和电磁场。利用NND格式求解耦合电磁源项N－S方程，Gauss-Seidel迭代加超松驰方法求解椭圆型电磁场方程，计算得到的发动机工作通道内流场、电磁场结构，与实验数据进行了对比。结果表明，对同一结构尺寸的发动机，随推进剂流量变化，发动机性能存在最佳值；在一定流量范围内，实验数据和计算结果相符。     

一种旋流式喷嘴的实验和数值研究

对一种小尺寸复杂结构的旋流式喷嘴进行了实验和数值研究，实验研究中确定了喷嘴前后压差与流量间的对应关系，数值研究中应用VOF方法对喷嘴内三维气液两相流动进行了计算，并与实验结果做了比较，二者吻合较好，而后应用该算法对喷嘴在不同结构尺寸下的流动过程进行了计算，对比分析后发现，旋流室及旋流器的结构和尺寸均会对喷嘴出口速度产生影响，但只有旋流器螺旋升角和槽道数目才会对喷嘴雾化角产生显著影响。     

瞬态等离子体点火和火花塞点火起爆过程的对比研究

为了研究瞬态等离子体点火起爆脉冲爆震发动机的可行性,设计了适用于脉冲爆震发动机的瞬态等离子体点火器,并对瞬态等离子体点火和火花塞点火的放电过程进行了对比,瞬态等离子体点火器具有更大的点火面积。在此基础上,以甲烷气为燃料,对瞬态等离子体点火和火花塞点火的爆震起爆过程进行了二维数值模拟研究,数值模拟结果表明,采用等离子体点火起爆过程引发爆震所需的爆燃到爆震时间和距离比火花塞点火起爆过程缩短了64%和22%。      

分块阳极式激光支持的脉冲等离子体推力器实验研究

通过纳秒激光烧蚀羽流特性的研究证实了羽流分裂现象的存在,为了抑制羽流分裂现象可能带来的滞后烧蚀而将分块阳极构型引入激光支持的脉冲等离子体推力器中,由此首次提出了分块阳极式激光支持的脉冲等离子体推力器的概念.通过实验对比研究了分块阳极和正常阳极构型的放电特性参数、性能参数和放电电弧发展演化等特性.结果表明,分块阳极构型能...     

直流滑动弧等离子体点火器特性的实验研究

为了探究直流滑动弧放电应用于航空发动机燃烧室内点火的性能特点,设计了直流滑动弧等离子体点火器,在模型燃烧室内进行了煤油/空气混合气的点火实验,利用高速相机记录了滑动弧等离子体点火器的电弧产生和滑动过程以及燃烧室内煤油/空气混合气的点火和火焰发展过程,研究了不同空气工作介质流量、驱动电源输出电流、点火器电极夹角和点火器安装位置等因素对滑动弧等离子体点火器点火特性的影响。结果表明:滑动弧在运动过程中会产生不规则的跳动,并且存在着电弧分流的现象,导致电弧长度发生变化;在湍流的作用下,初始火核会演变为分裂的、大面积的湍流火焰,着火面积不断增大,最终在t=21ms时形成稳定燃烧;随着空气工作介质流量增大、驱动电源输出电流减小以及点火器的安装位置远离燃油雾化喷嘴,滑动弧等离子体点火器的电弧长度减小,点火延迟时间逐渐增长,例如余气系数α=8时,I=30A下电弧长度为47.1mm,相比I=20A增长了75.1%,点火延迟时间为21ms,相比I=20A缩短了40%;而随着点火器电极夹角的增大,电弧长度先增大后减小,点火延迟时间则先减小后增长,在电极夹角θ=45°时,电弧长度最长,点火延迟时间最短,分别为30.5mm和12ms。     

等离子体化学动力学效应对超燃燃烧室中氢氧燃烧的影响研究

为探究等离子体化学动力学对超燃燃烧室中氢氧燃烧流场的影响及其相关机理,在氢气燃料喷流中添加不同浓度的活性粒子以模拟等离子体化学动力学效应。利用数值模拟手段,分析了不同活性粒子浓度下,超燃燃烧室中产物水的生成、凹腔后缘近壁面处压力分布以及等离子体化学动力学相关作用机理。研究结果表明:在燃烧反应建立初期,活性粒子浓度越高,燃烧产物形成越快、分布范围越广。等离子体的作用使得凹腔后缘近壁面中心区终点处压力峰值增大,峰值最大增幅9.4%,同时也削弱了侧壁面区域压力峰值,峰值最大减幅7.7%。等离子体化学动力学通过加快氢氧原有核心反应的正向进行,使得后续燃烧所需要的O,OH等粒子被快速积累,从而加快了反应的总体进行,缩短了产物生成时间。     

酚醛树脂基泡沫碳材料的烧蚀与隔热性能

为考察纳米孔径的酚醛树脂基泡沫碳材料的烧蚀与隔热性能,以酚醛树脂为碳源,环戊烷为发泡剂,吐温80为表面活性剂,对甲苯磺酸为固化剂,采用发泡固化碳化工艺制备了低密度泡沫碳材料。所制备的泡沫碳材料密度为0. 3 g/cm^3,压缩强度达到了11. 7 MPa。采用LFA457激光导热仪考察了泡沫碳材料在不同温度下(25、200、400、600℃)的导热性能,25℃下热导率为0. 141 W/(m·K),600℃下热导率为0. 344 W/(m·K);通过氧乙炔试验(30 s/60 s)对泡沫碳材料与C/C复合材料在同样的气流条件下隔热性能进行了比较,在材料正面烧蚀峰值温度泡沫碳材料比C/C复合材料高出约400℃的情况下,背面峰值温度比C/C复合材料仍低出150℃;通过氧乙炔试验考察泡沫碳材料的抗烧蚀性能,氧乙炔烧蚀60 s的线烧蚀率为0. 031 mm/s。试验结果证明低密度的泡沫碳材料同时具备优异的隔热与高温抗烧蚀性能。     

等离子发生器燃烧流场数值模拟

采用漩涡破碎（EBU）燃烧模型、k-ε双方程湍流模型及SIMPLEC算法,对等离子发生器内部的燃烧流场进行了数值模拟,得到了关于等离子燃烧流场相关特性参数分布。该数值模拟对等离子发生器的研究具有指导作用。     

S型进气道的数值模拟研究

 本工作改进了Denton的有限体积的时间推进法,将这种对时间一阶精度对空间二阶精度的方法改进为对时间二阶精度对空间二阶精度的计算方法,并应用于S型进气道的内流及具有进口外流的进气道流场的数值模拟,进行了实例计算,取得了合理的计算结果。     

纳秒等离子体激励控制翼型流动分离机理研究

为研究纳秒介质阻挡放电(NSDBD)等离子体控制翼型流动分离的物理机理,采用已建立的NSDBD唯象学模型耦合非定常Navier-Stokes方程模拟纳秒等离子体对流场的作用。使用非定常雷诺平均NavierStokes方程(URANS)和大涡模拟(LES)两种求解方法,研究纳秒等离子体激励对NACA0015翼型流动分离控制。结果表明:NSDBD等离子体激励促使边界层提前转捩,转捩对控制流动分离起重要作用;NSDBD激励开始时在翼型前缘形成展向涡,展向涡促使分离剪切层失稳并最终进入尾迹,展向涡贴近壁面运动,将外区的高能气流带入近壁区,使上翼面流场结构发生变化,然后翼型前缘流动提前转捩促使流动经过一个小层流分离泡后发生湍流再附,最终在上翼面形成稳定的附着流动。     

内送粉超声速等离子喷涂流场特性分析

应用流体控制方程、传热传质方程、粒子输运方程、Maxwell电磁场方程建立多场耦合数学模型,通过数值计算方法研究超声速等离子喷枪内外等离子体流动特性。所采用的内送粉三维模型包含阴、阳电极固体以及阳极边界层区域,考虑了等离子气体的电离与复合反应,以及局域热平衡效应,得到了超声速等离子喷涂在纯氩和氩氢混合气氛中的气流温度场、速度场分布以及电弧电压分布。结果表明:在加入氢之后,喷枪内等离子体温度提高了30%,速度提高了67%;喷枪外气流速度和温度在距喷嘴出口0~50mm间梯度变化大于喷涂距离50~100mm,且径向速度和温度梯度变化随着喷涂距离增大越来越小。计算得到的电弧电压与测量值相差4.4%,说明了考虑阳极边界层后计算模型的合理性。     

新型等离子体激励器的数值模拟

为了对新型多电极对等离子体激励器进行可靠的数值模拟,通过求解带有体积力源项的Navier—Stokes方程,模拟单电极对等离子体激励器在二维不可压流中对周围流场的影响,计算结果表明所使用唯象模型的参数基本正确。在此基础上,改进原有模型,对新型双极性等离子体激励器诱导流动进行计算。通过与实验结果的对比,发现改进后的模型能较好地模拟新型双极性等离子体激励器的控制作用,可为今后新型等离子体激励器的应用提供可靠的数值模拟方法。     

离子推力器放电室阳极壁面电流密度分布特性研究

为了准确掌握离子推力器放电室阳极壁面电流密度分布特性,并深入理解阳极壁面处等离子体运动特性,设计了近阳极壁面等离子体诊断的具体实施方案,并基于LIPS-200离子推力器开展了近阳极壁面处等离子体诊断试验研究,得到了主要磁极附近壁面等离子体参数,并得到阳极壁面吸收电流密度分布特性。试验结果表明：LIPS-200离子推力器阳极壁面处主要磁极附近的等离子体密度范围为,测试点的电子温度范围为,壁面电流密度范围为;柱段壁面电子温度相对锥段较低,但电流密度较大,尤其在中间极靴位置电流密度最大,约为阴极极靴处电流密度的3倍,约为屏栅极靴处电流密度的2倍,阳极电流主要在放电室中间极靴处发生损失。     

预燃式等离子体射流点火器工作特性实验研究

为解决发动机点火包线小于飞行包线的实际问题,提供等离子体点火技术在航空发动机中的工程应用新思路,论文设计了一种预燃式等离子体射流点火器,实验研究了放电特性和射流特性。结果表明,预燃式等离子体射流点火器与空气等离子体射流点火器相比,在提升射流能量降低电源功率方面有着较大的优势,电流相同时通入甲烷在较大流量时可减小驱动电源功率,总流量为44L/min时,减幅可达14.99%;同时预燃式等离子体射流较空气等离子体射流稳定,且射流长度增加,扩大了点火面积,有利于点火。