大功率電弧加熱器起弧過程流場特性研究

歐東斌, 曾 徽, 馬漢東， 閆憲翔

(中國航天空氣動力技術(shù)研究院電弧等離子應(yīng)用裝備北京市重點(diǎn)實驗室, 北京 100074)

引 言

電弧等離子體通過氣體電離擊穿放電, 產(chǎn)生弧光, 獲得等離子體環(huán)境, 廣泛應(yīng)用于垃圾焚燒、 重金屬處理、 CVD熱等離子體處理、 等離子體霧化等領(lǐng)域[1], 通過電弧等離子體加熱空氣介質(zhì)的方式獲得高溫氣流, 可以模擬飛行器再入的氣動熱環(huán)境, 是開展防熱材料篩選和考核的首選地面試驗?zāi)M環(huán)境[2]. 電弧等離子體的起弧過程是氣體離解和電離的過程, 氬氣介質(zhì)因其是單原子分子, 無需離解且電離能較低, 可以快速擊穿并建立電弧通道, 目前采用真空氬氣起弧方式因其起弧可靠性、 安全性和運(yùn)行的方便性, 已經(jīng)成為國內(nèi)外電弧風(fēng)洞加熱設(shè)備啟動運(yùn)行的首選方案[3]. 同時, 隨著新型高超聲速飛行器的發(fā)展, 對于氣動熱地面試驗設(shè)備模擬能力提出了更高的要求, 發(fā)展具備模擬高焓、 高壓熱環(huán)境的電弧加熱自由射流平臺是未來氣動熱試驗設(shè)備發(fā)展的重要方向, 其中真空氬氣起弧試驗技術(shù)要求進(jìn)一步發(fā)展為常壓氬氣起弧, AEDC研究中心的H3 70 MW電弧加熱自由射流設(shè)備, 采用常壓氬氣起弧方式可以實現(xiàn)高焓疊片式電弧加熱器常壓啟動, 對于開展高焓(≥10 MJ/kg)、 高壓(≥10 MPa)端頭燒蝕試驗具有重要意義[4]. 目前國內(nèi)缺乏這一類型的常壓疊片式電弧加熱設(shè)備, 中國航天空氣動力技術(shù)研究院正在開展真空-常壓(100 Pa～0.1 MPa)起弧試驗技術(shù)的研究, 進(jìn)一步要求提升對大功率電弧加熱器起弧過程流場特性的認(rèn)識, 特別是對于等離子體氣流溫度和流場組分濃度的在線定量測量.

國內(nèi)外在高溫流場研究方面開展了大量的研究, 從早期接觸式測量方法發(fā)展到目前的光譜診斷技術(shù)[5], 后者具備非接觸式、 響應(yīng)速度快, 多參數(shù)空間分辨測量的特性, 是國內(nèi)外高焓氣流診斷的研究熱點(diǎn)[6]. 基于激光吸收光譜、 發(fā)射光譜、 激光誘導(dǎo)熒光光譜等測量技術(shù), 研究人員開展了對等離子體流場特性的定量、 定性研究[7-10]. 本文基于所發(fā)展的高焓氣流發(fā)射光譜診斷技術(shù), 開展對10 MW量級長分段電弧加熱器電弧等離子體高溫氣流的研究, 研究真空氬氣起弧過程的等離子體輻射光譜特性, 進(jìn)一步獲得等離子體氣流電子溫度和電極燒蝕銅原子組分濃度的定量演化規(guī)律, 該研究工作有益于提升對大功率電弧加熱器氬氣起弧特性的定量、 定性認(rèn)識.

1 測量原理

1.1溫度測量

原子發(fā)射光譜的輻射強(qiáng)度可表示為

(1)

其中,Aul為譜線的Einstein發(fā)射系數(shù), 單位為s-1;hul為Planck常數(shù), 單位為Js;λul為譜線躍遷的波長, 單位為nm;nu為譜線高能級粒子數(shù)密度, 單位為cm-3; u表示高能級, l表示低能級. 電弧加熱器通過擊穿放電產(chǎn)生熱電弧, 將進(jìn)入加熱器弧室內(nèi)的冷態(tài)試驗介質(zhì)加熱至高溫狀態(tài), 對于弧室內(nèi)的高溫氣流, 其流速很低, 可以將加熱器內(nèi)等離子體氣流假定為局部熱力學(xué)平衡態(tài), 相關(guān)研究結(jié)果驗證了這一假設(shè)[11-12]. 在滿足熱平衡等離子體條件下, 高能級粒子數(shù)密度與總粒子數(shù)密度之間滿足Maxwell-Boltzmann分布

(2)

其中,n0為總粒子數(shù)密度, 單位為cm-3;gu為高能級電子簡并度;Q(T)為配分函數(shù);k為Boltzmann常數(shù), 單位為JK-1；Eu為高能級能量, 單位為cm-1; 則

(3)

由式(3)可知, 可以通過選取不同高能級能量的原子譜線, 通過對數(shù)化后的光譜強(qiáng)度與高能級能量之間進(jìn)行線性擬合, 可以獲得等離子體氣流的電子溫度. 如表 1所示, 本研究選取電弧加熱器起弧試驗介質(zhì)-氬氣的6組發(fā)射光譜譜線, 開展對于電弧加熱器起弧過程氣流溫度的定量分析, 圖 1給出了具體的擬合情況, 通過擬合曲線的斜率即可反推氣流溫度.

表1 氬氣譜線光譜參數(shù)[13]

圖1 氬氣譜線Boltzmann擬合Fig. 1 Boltzmann linear fitting for selected argon lines

1.2 濃度測量

由1.1節(jié)可知, 氬氣起弧過程可以假定為熱平衡過程, 氬氣介質(zhì)摩爾組分濃度XAr是平衡溫度T(單位為K)和壓力P(單位為MPa)的函數(shù)

XAr=XAr(T,P)

(4)

圖 2為氬氣摩爾組分濃度的熱平衡計算結(jié)果[14], 確定氣流溫度和壓力后可獲得氬氣摩爾組分濃度的定量變化, 從圖2可以看出, 在T≤10 000 K, 氬氣介質(zhì)的電離度<5%, 主要以氬原子的形式存在.

為了獲得氬氣起弧過程電極銅原子燒蝕量, 本實驗選取氬原子 Ar I和銅原子Cu I的譜線, 獲得各自原子譜線的光譜強(qiáng)度ICu和IAr, 結(jié)合式(1)和(2)可得

(5)

則銅原子摩爾分?jǐn)?shù)可以表示為式(6)的形式

(6)

Cu I的配分函數(shù)可通過NIST原子光譜數(shù)據(jù)庫獲得, Cu I和Ar I配分函數(shù)均可表示為溫度的函數(shù)Q0(T)和QCu(T), 具體定量關(guān)系如圖 3所示, 銅原子摩爾組分濃度XCu可以通過氬氣摩爾組分含量XAr和氣流溫度T獲得.

圖2 氬氣摩爾組分濃度隨溫度變化Fig. 2 Argon mole fraction under different temperatures

(a) Cu

(b) Ar圖3 銅原子和氬原子配分函數(shù)隨溫度變化趨勢Fig. 3 Partition functions of copper and argon under different temperatures

表2 銅原子譜線基本光譜參數(shù)[13]

2 試驗部分

本研究在中國航天空氣動力技術(shù)研究院高溫氣體動力學(xué)研究室10 MW量級長分段電弧風(fēng)洞上開展. 如圖 4所示, 電弧風(fēng)洞的核心組成部分是一套10 MW量級大功率長分段電弧加熱器, 這種加熱器以管狀電弧加熱器為原型, 結(jié)合疊片式電弧加熱器分段吹氣技術(shù)發(fā)展出來, 因此長分段電弧加熱器具有管狀電弧加熱器和疊片電弧加熱器的特點(diǎn), 也叫混合式電弧加熱器. 長分段電弧加熱器采用與管狀電弧加熱器類似的圓管狀陽極、 陰極形式, 不同之處在于, 長分段電弧加熱器的圓管狀前電極加長, 并被分割成若干個隔離段, 中間彼此絕緣, 每一段成為絕緣壓縮段, 每個壓縮段之間用絕緣材料隔開, 并從段間引入氣體, 以強(qiáng)制陰極弧根落在更遠(yuǎn)的短管式前電極, 絕緣壓縮段類似于疊片式電弧加熱器的壓縮片, 只不過壓縮段的厚度更厚. 因此, 長分段電弧加熱器的氣動熱參數(shù)模擬范圍介于管式電弧加熱器和疊片式電弧加熱器之間, 為中壓(0.1～5 MPa)、 中焓(6～20 MJ/kg)地面試驗設(shè)備.

圖4 長分段電弧風(fēng)洞及發(fā)射光譜診斷系統(tǒng)示意圖Fig. 4 Schematic of the experimental setup of the long-segmented arc-heated wind tunnel and OES system

長分段電弧加熱器的起弧過程可以分為3個階段: 如圖 5所示, 第1階段是在陽極和陰極通入氬氣介質(zhì), 由于氬氣為惰性氣體, 擊穿后電壓很低, 維持在450 V左右; 第2階段為過渡階段. 此時保持氬氣通入, 同時通入少量空氣介質(zhì), 用于維持并放大電弧通道, 此階段電弧加熱器運(yùn)行電流增加, 同時隨著進(jìn)氣的增加, 電弧電壓也緩慢增加; 第3階段為正式運(yùn)行階段, 氬氣停止通入, 代之以完全的空氣試驗介質(zhì), 電弧電壓迅速增加并逐漸保持穩(wěn)定, 從而獲得一定溫度和壓力的高溫氣流. 隨后高溫氣流通過噴管加速, 形成超聲速氣流, 對噴管出口下游試驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行防熱材料考核. 光學(xué)測量位于電弧加熱器陰極和噴管收縮段之間, 兩者之間安裝有一套光學(xué)測量壓縮片, 實現(xiàn)對電弧加熱器等離子體氣流輻射光譜的在線測量, 研究加熱器起弧流場特性, 具體的光學(xué)布置可見本研究室前期的工作[15].

3 試驗結(jié)果與分析

圖 8(a) 給出了電弧加熱器起弧過程中等離子體氣流溫度的結(jié)果. 加熱器起弧瞬間, 等離子體氣流溫度出現(xiàn)一個尖峰, 最高溫度達(dá)到12 600 K, 顯示電弧瞬間擊穿、 建立; 電弧通道建立后, 等離子體氣流溫度出現(xiàn)小幅回落, 之后等離子體氣流溫度基本維持穩(wěn)定, 氣流溫度在11 000 K±300 K小幅波動, 表明氬氣起弧建立了穩(wěn)定的電弧通道. 重復(fù)試驗測量結(jié)果顯示, 等離子體氣流溫度吻合非常一致, 顯示出長分段電弧加熱器真空起弧具有非常好的穩(wěn)定性和重復(fù)性.

圖5 電弧加熱器起弧伏安特性曲線. Fig. 5 Measured voltage and current for arc ignition

圖6 空氣等離子體氣流輻射光譜 Fig. 6 Measured raw spectrum for air plasma

圖7 空氣等離子體下典型組分光譜輻射強(qiáng)度隨時間變化 Fig. 7 Time-resolved variation of spectral intensity of selected species transitions for air plasma

(a) Temperature

(b) Mole concentration of copper圖8 氬氣過程等離子體氣流溫度和濃度結(jié)果Fig. 8 Measured temperature and copper concentration of plasma flow during argon ignition

圖 8(b)給出了氬氣起弧過程中電極燒蝕銅原子摩爾組分濃度的變化. 與氣流溫度的變化類似, 起弧瞬間, 銅原子組分濃度出現(xiàn)尖峰, 其原因與氣流溫度的陡增和弧根建立有關(guān). 不同于等離子體氣流溫度的穩(wěn)定變化, 銅原子組分濃度出現(xiàn)較大的波動, 組分濃度值在(1～25)×10-6范圍內(nèi)出現(xiàn)周期性上升和降低, 其原因在于: 電弧加熱器長期運(yùn)行, 電極內(nèi)壁面表面不平整, 電弧弧根在電極壁面旋轉(zhuǎn)過程中, 弧根落在電極表面某處位置出現(xiàn)較大的燒蝕. 因此, 依據(jù)銅粒子濃度的實時變化, 可以判斷電弧加熱器電極表面狀態(tài), 進(jìn)而保證加熱器安全運(yùn)行. 本研究中, 起弧過程中銅粒子最大濃度低于25×10-6, 只需電極表面進(jìn)行打磨處理, 即可保證電極正常工作.

4 結(jié)論

本研究應(yīng)用發(fā)射光譜測量技術(shù)開展了對大功率長分段電弧加熱器起弧過程等離子體流場特性的研究, 實現(xiàn)對電弧加熱器起弧過程流場溫度和典型組分濃度的測量結(jié)果. 基于所選氬氣譜線, 本研究獲得了大功率電弧加熱器氬氣起弧過程等離子體氣流溫度的變化: 等離子氣流溫度在11 000 K左右, 溫度波動小于300 K, 證明該類型電弧加熱器采用真空氬氣起弧方式具有非常好的起弧穩(wěn)定性; 重復(fù)試驗顯示等離子體氣流溫度吻合非常一致, 說明該類型電弧加熱器良好的狀態(tài)一致性. 同時, 基于對銅原子譜線的分析, 本研究對等離子體氣流中銅原子濃度進(jìn)行了定量分析, 獲得了氬氣起弧過程中電極燒蝕銅原子摩爾組分濃度結(jié)果, 整個起弧過程電極燒蝕量較小, 銅原子組分濃度低于25×10-6, 并存在周期性的波動變化, 顯示出電弧弧根在電極表面旋轉(zhuǎn)過程中的不均勻燒蝕. 本研究針對大功率電弧加熱器真空起弧過程的光譜定量研究, 為研究大功率電弧加熱器起弧特性提供了定量數(shù)據(jù), 下一步工作將針對長分段電弧加熱器在不同運(yùn)行參數(shù)(電流、 流量)、 不同試驗介質(zhì)、 不同真空壓力下開展更加系統(tǒng)的研究, 從而為大功率常壓起弧電弧加熱器發(fā)展和電極優(yōu)化提供全面依據(jù).