直流电弧等离子体炬数值模拟与诊断

直流电弧等离子体炬内部物理过程复杂且具动态性,较难对其进行准确描述与深入研究,且其工作温度较高,其状态参数难以使用常规方式测量。针对直流电弧等离子体炬,建立流动、传热和电磁相互耦合的数值模型,基于Fluent软件对直流电弧等离子体炬进行三维数值模拟和特性分析,设计并搭建了一套热焓探针实验系统,完成对直流电弧等离子体炬射流参数的测量分析。结果表明:建立的数值模型模拟结果与实验测量结果吻合较好,误差在10%以内;炬内温度与速度最大值与工作气流量呈正相关,均出现在靠近阴极区域,且沿轴线逐渐降低;等离子体炬内高温区与高电流密度区重合。     

膨胀循环氢氧发动机低压火炬的点火能量研究

针对膨胀循环氢氧发动机多次点火需求,采用氢、氧推进剂吸热着火和火炬燃气降温放热的假设,用热力计算方法从理论上分析了推力室采用火炬点火的能量问题。在考虑火炬燃气与推力室内的氧补燃后,富燃低压火炬点火器的点火能量能够满足推力室点火需求。研制了2种低压火炬点火试验系统,对膨胀循环发动机进行了17次点火试验,试验结果与理论分析结果相符,验证了补燃点火假设。     

空气/煤油火炬点火器设计及试验

为解决超燃冲压发动机点火难题,设计了一种以空气和煤油作为氧化剂和燃料的火炬点火器。点火器能量设计为300kW,空气和煤油的设计流量分别为98.9g/s和6.7g/s。采用软件CHEMKIN4.0对不同当量比条件下点火器出口气流参数进行了计算,将点火器的工作状态优选为富氧模式。煤油从点火器端面经旋流喷嘴注入,空气分为一次喷注和二次喷注两个支路,采用普通汽车火花塞点燃空气煤油混合物。建立了试验系统,压力测量和摄影图像表明该点火器能够在当量比在0.3~1.3范围内可靠工作。点火器的起动时间约为0.9s,火焰长度约为30cm,存在高频率小幅值脉动燃烧现象。试验表明该点火器能够可靠点燃超燃冲压发动机。      

固体燃料冲压发动机火炬式点火器设计

对火炬式点火器工作原理进行了介绍,根据氧化剂、燃料的状态对火炬式点火器进行了分类,分析了各类点火器结构特点及热防护措施.设计出使用气氧、酒精的固体燃料冲压发动机地面试验用火炬式点火器,采用旋转液膜与酒精再生冷却相结合的办法,有效地加强了点火器的热防护.在冲压发动机试车台上,对该火炬式点火器进行了30余次单独试验,均取得了成功,可持续工作时间不少于20 s.     

一种小功率孔形阳极喷嘴等离子体炬的研究

为了提高小功率等离子体炬的综合性能,本文作者研制了一种新型具有孔形阳极喷嘴的小功率等离子体炬,功率1~5kW。采用流体模拟计算的方法,计算了喷嘴出口附近射流的流场结构特点。通过实验分别测试了采用氩气、氮气作为工质气体时等离子体炬的运行电流和电压,观察了等离子体射流形态和电极烧蚀情况,通过测量等离子体射流前方中心轴线位置处的光谱的方法计算射流温度,采用气体分析仪测量了等离子体射流附近的二氧化氮浓度。测得的试验数据显示相同工质流率和电流条件下,氮气等离子体射流运行电压远高于氩气,而光谱测得氩气射流的温度远高于氮气。氮气等离子体射流和外界空气接触产生了少量的副产物二氧化氮（低于10mL/m3）,而氩气等离子体射流附近无二氧化氮产生。     

气氧/酒精火炬式点火器试验

为研究火炬式点火器旋转液膜冷却的冷却机理,设计了气氧/酒精火炬式点火器,并在冲压发动机试车台上进行了试验,试验中设置的最长工作时间20 s,总流量变化范围8~40 g/s,获得了压力、燃烧室下游壁面附近温度等试验数据,并通过与相似结构以液氢为燃料的试验结果进行对比,得到了如下定性结论:在一定余氧系数下,液体燃料沿壁面旋转进入火炬点火器燃烧室时,若液体燃料沸点较低(如液氢),则燃烧室下游燃烧产物为气态;若液体燃料沸点较高(如酒精),则燃烧室下游燃烧产物核心部分为气态,周围为液态。     

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.     

氢氧火炬点火器低压燃烧流动仿真研究

为研究低压条件下氢氧喷注间距及液滴粒径对氢氧火炬式电点火器燃烧流动的影响规律,结合DPM离散相模型,采用6组分16步氢氧反应机理,选取考虑湍流燃烧效应的涡耗散概念燃烧模型进行仿真计算,并将结果与试验结果进行比对,温度结果符合得较好,压强计算偏差在5%以内,验证了仿真模型的准确性。仿真结果表明:低压条件下,氢氧喷注间距增加时,点火器头部内壁温度升高,室压降低,燃烧长度缩短;液氢液滴直径增大时,点火器头部内壁温度升高,室压降低,燃烧长度变长;改变液氧液滴直径对点火器燃烧流动影响较小。      

超声速气流中煤油射流的等离子体点火实验

在直连式超燃实验台上开展来流马赫数为2.5,总温为1650K的液态煤油燃料点火实验.在未使用引导氢气的情况下,利用输入能量为1.5kW的电弧等离子体炬实现煤油可靠点火和稳定燃烧.研究了煤油的不同喷注位置、喷射压力对点火性能的影响.实验表明:燃料喷口距离点火凹腔为550mm,喷射压力为1.5~2.3MPa时,可成功点火,更近的喷射位置和更高的喷射压力无法点火,分析认为点火凹腔的局部混合特征是影响点火的关键因素.根据点火和火焰前传的高速摄影图,发现下游凹腔在点火初期的作用不大,但是对于稳定燃烧和火焰前传有重要作用.      

低功率非冷却等离子体炬试验研究

介绍了一款新型等离子体炬的结构设计和试验研究情况.在地面试验条件下,低功率非冷却直流等离子体炬能够可靠启动并长时间稳定运行,并在多种燃油、燃气燃烧器中实现可靠点火.试验发现:电流大小和工质气体成分对等离子体炬的电极使用寿命和运行稳定性影响明显.