射流等離子發(fā)生器實(shí)驗(yàn)與模擬

余 濤, 楊家龍, 劉 瀟, 顏世林, 游濱川, 俞鴻鵬

(哈爾濱工程大學(xué)動(dòng)力與能源工程學(xué)院, 黑龍江哈爾濱 150001)

引 言

空氣間隙放電研究主要集中在高壓輸變電工程、雷電屏蔽及電路安全等方向, 國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)長(zhǎng)間隙、短間隙放電以及空氣中是否含有濕空氣等方面都取得了一定研究成果[1-3].除此之外, 等離子點(diǎn)火技術(shù)也與空氣間隙放電相關(guān), 等離子點(diǎn)火技術(shù)是近些年來(lái)在艦船發(fā)動(dòng)機(jī)和電廠鍋爐等方向的新興技術(shù)[4], 等離子體是由氣體原子及原子團(tuán)被電離后產(chǎn)生的電子及正離子組成的物質(zhì), 等離子體是物質(zhì)的第4態(tài), 具有很好的導(dǎo)電性[5].等離子點(diǎn)火相較于電火花點(diǎn)火等其他傳統(tǒng)點(diǎn)火方式具有點(diǎn)火能量大、熱射流范圍大、點(diǎn)火迅速、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)[6].等離子發(fā)生器主要通過(guò)電極間隙放電產(chǎn)生等離子體, 放電模式為電弧放電, 溫度可達(dá)幾千K, 產(chǎn)生的離子濃度較高, 其中亞穩(wěn)態(tài)的氧原子能夠很好地起到助燃效果[7].

近些年來(lái), 等離子點(diǎn)火方面的研究越來(lái)越多, Deng等[8]研究了大氣壓下在氮?dú)夂涂諝庵泄ぷ鞯闹绷鞯入x子體射流的等離子特性, 發(fā)現(xiàn)當(dāng)平均電流I<5 mA 時(shí), 放電處于自脈沖狀態(tài), 當(dāng)平均電流I>10 mA 時(shí), 放電狀態(tài)為輝光放電, 電壓和電流無(wú)振蕩.Tardiveau等[9]研究了在不同壓力下, 點(diǎn)對(duì)面放電在短時(shí)、高電壓下的發(fā)展, 發(fā)現(xiàn)當(dāng)壓力增加時(shí), 放電不再完全擴(kuò)散, 而是向纖維狀模式發(fā)展, 在4個(gè)大氣壓以上時(shí), 由于壓力過(guò)高, 通過(guò)熱擴(kuò)散在放電絲內(nèi)部的電能耗散不再有效, 在通道的核心可能發(fā)生熱約束.張赟等[10]對(duì)空氣中短間隙的流注放電過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬, 將有限元法和通量校正傳輸法相結(jié)合.通過(guò)引入網(wǎng)格自適應(yīng)剖分法和并行計(jì)算方法優(yōu)化了求解時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題, 提高了計(jì)算精度和效率, 采用的流注流體模型及求解方法能夠?qū)⒘髯l(fā)展的微觀過(guò)程展現(xiàn)出來(lái), 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較高的相似度.結(jié)果表明, 輸入電壓增大可使空間電場(chǎng)增大, 也增大了電離強(qiáng)度, 電離出的電子數(shù)變多, 進(jìn)而導(dǎo)致電弧頂部的電荷密度變大、場(chǎng)強(qiáng)增加, 因此電弧更快地產(chǎn)生, 且電弧受電場(chǎng)力的影響橫向發(fā)展, 使得電弧半徑增大.

實(shí)驗(yàn)研究是目前研究空氣間隙放電的主要方式, 數(shù)值模擬方面的研究還相對(duì)困難[11-12], 因?yàn)榭諝夥烹妼儆陔妶?chǎng)、流場(chǎng)、磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)等多物理場(chǎng)耦合的研究, 需要一系列的簡(jiǎn)化以及經(jīng)驗(yàn)公式和物理模型的應(yīng)用才能實(shí)現(xiàn)對(duì)簡(jiǎn)單二維結(jié)構(gòu)的模擬, 而且模擬參數(shù)的獲取也需要以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ), 為了推導(dǎo)出數(shù)值模擬所需的經(jīng)驗(yàn)公式, 就需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)并推導(dǎo)出相應(yīng)的變化規(guī)律, 電流及電壓的不穩(wěn)定性也增加了數(shù)值模擬的難度[13-15].本文首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究的方式獲取了等離子發(fā)生器的放電過(guò)程, 隨后使用數(shù)值模擬的方法對(duì)等離子熱射流的形態(tài)進(jìn)行了研究, 并將其與實(shí)驗(yàn)所得熱射流形態(tài)進(jìn)行對(duì)比分析, 最后對(duì)比分析了等離子發(fā)生器不同影響因素下等離子熱射流形態(tài)的變化規(guī)律.

1 實(shí)驗(yàn)裝置

等離子熱射流實(shí)驗(yàn)裝置由自主設(shè)計(jì)的等離子發(fā)生器、等離子點(diǎn)火器供電系統(tǒng)、高速相機(jī)等設(shè)備組成.等離子發(fā)生器通過(guò)高壓電纜與等離子點(diǎn)火器供電系統(tǒng)連接, 其中等離子發(fā)生器的陰極與高壓電纜內(nèi)芯連接提供電勢(shì), 陽(yáng)極與高壓電纜金屬外皮連接, 等離子點(diǎn)火器電源箱體進(jìn)行接地處理, 由等離子電源發(fā)出的高壓脈沖通過(guò)高壓電纜到達(dá)等離子發(fā)生器后, 在出口處的電極之間形成足夠高的電壓將空氣擊穿, 形成的等離子熱射流從出口噴出.等離子熱射流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示.

圖1 等離子熱射流實(shí)驗(yàn)裝置圖

等離子點(diǎn)火器電源由主電路和控制電路組成, 其中主電路由交流220 V輸入的整流電路、電容儲(chǔ)能電路、脈沖發(fā)生電路以及高壓擊穿電路組成, 控制電路為直流24 V輸入的控制繼電器, 電路組成框圖如圖2所示.控制等離子點(diǎn)火器系統(tǒng)工作的方法為: 通過(guò)控制電路繼電器導(dǎo)通主電路, 使主電路接通AC 220 V輸入電壓, 通過(guò)整流電路后變?yōu)橹绷麟? 隨后脈沖發(fā)生電路對(duì)輸入電路的頻率進(jìn)行調(diào)節(jié), 形成方案所需的脈沖頻率.由于等離子弧非線性負(fù)阻特性, 氣體電離起弧前阻抗很大, 電壓很高而電流很小, 為此設(shè)計(jì)高壓擊穿單元, 實(shí)現(xiàn)放電起弧過(guò)程, 電路充電時(shí)的負(fù)電勢(shì)最高可達(dá)10 kV.在蓄能電路中, 通過(guò)電容儲(chǔ)能的方式獲得等離子點(diǎn)火需要的能量, 放電時(shí)電容電路導(dǎo)通, 電流從高壓電纜流向等離子發(fā)生器的陰極, 將陰極和陽(yáng)極之間的氣體擊穿, 氣體急劇電離產(chǎn)生帶電粒子, 阻抗迅速減小, 形成電弧放電, 電容儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)化為等離子熱射流的熱能、動(dòng)能及粒子的化學(xué)能.電容能量完全釋放后, 電路斷開(kāi), 電壓及電流迅速降低, 至此一個(gè)放電周期結(jié)束, 控制電路開(kāi)始進(jìn)行下一次放電.

圖2 等離子點(diǎn)火器工作原理圖

等離子發(fā)生器的陰極與陽(yáng)極之間使用多段陶瓷絕緣, 等離子點(diǎn)火器電源內(nèi)部使用絕緣性能優(yōu)良的高溫導(dǎo)線, 保證在等離子點(diǎn)火器電源內(nèi)部及等離子發(fā)生器內(nèi)部不會(huì)發(fā)生擊穿現(xiàn)象, 等離子發(fā)生器的陰極頭部可拆卸, 從而實(shí)現(xiàn)變間隙, 放電間隙變化范圍為1.5～3.5 mm, 空氣被電離后在噴口處和通氣孔之間形成壓差, 從通氣孔中進(jìn)入的空氣推動(dòng)被電離的空氣從噴口射出.等離子點(diǎn)火器電源產(chǎn)生高電壓使等離子發(fā)生器放電, 產(chǎn)生等離子熱射流后用高速相機(jī)捕捉完整的熱射流發(fā)展過(guò)程.

高速相機(jī)使用的是美國(guó)VRI公司推出的高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)PhantomV12.1型, 該相機(jī)的分辨率可達(dá)1 280× 800, 最高幀率為1 000千幀, 最小曝光時(shí)間300 ns, 本次實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的參數(shù)為光圈 5.6, 拍攝速度為40 000 fps, 能夠清晰地記錄等離子熱射流的發(fā)展過(guò)程.

2 數(shù)學(xué)模型

本文模擬的多物理場(chǎng)模型的選擇為層流、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、流體傳熱模塊.4個(gè)模塊的設(shè)定如下:

(1)層流

流場(chǎng)域2為空氣流通區(qū)域;

質(zhì)量守恒方程見(jiàn)式(1)

(1)

式中,ρ為空氣密度,V為空氣流速.

動(dòng)量守恒方程見(jiàn)式(2)

F=ρg+ρeE+J×B

(2)

式中,ρg為重力,ρeE為電場(chǎng)力,J×B為L(zhǎng)orentz力.

能量守恒方程見(jiàn)式(3)

(3)

式中,Cp為空氣恒壓熱容,T為溫度,K為熱導(dǎo)率,Q為Joule熱.

(2)電場(chǎng)

流場(chǎng)域2為空氣放電并產(chǎn)生熱射流區(qū)域, 平衡方程見(jiàn)式(4)～(6)

(4)

(5)

(6)

式中,E為電場(chǎng)強(qiáng)度,σ為電導(dǎo)率,J為電流密度,Vba為電勢(shì).

(3)磁場(chǎng)

流體域2: 由空氣放電產(chǎn)生的磁場(chǎng)區(qū)域, 平衡方程見(jiàn)式(7)～(8);

陰極域1為電極鎢.

(7)

(8)

式中,J為電流密度,B為磁感應(yīng)強(qiáng)度,H為磁場(chǎng)強(qiáng)度.

(4)流體傳熱

流體域2為空氣流動(dòng)傳熱區(qū)域, 平衡方程見(jiàn)式(9)～(10)

(9)

(10)

式中,dz為物理模型厚度,Cp為恒壓熱容,u為空氣流速,q為Joule熱,q0為外加熱源,Qp為壓力梯度功,Qv為體積梯度功.

參考文獻(xiàn)[16]對(duì)4個(gè)求解模塊進(jìn)行設(shè)置, 在求解過(guò)程中將這4個(gè)模塊進(jìn)行耦合計(jì)算, 將電場(chǎng)模塊計(jì)算出的電壓及電流結(jié)果作為初始條件導(dǎo)入磁場(chǎng)模塊, 接著計(jì)算出磁場(chǎng)強(qiáng)度等結(jié)果, 將其得到的Joule熱、Lorentz力等結(jié)果耦合到流體傳熱及層流模塊中計(jì)算出等離子熱射流的發(fā)展結(jié)果.其中陰極域1材料為鎢, 物性參數(shù)為模擬軟件默認(rèn)參數(shù), 流體域2材料為空氣, 同樣選擇應(yīng)用軟件默認(rèn)參數(shù).

3 結(jié)果與分析

3.1 等離子放電實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1.1 等離子發(fā)生器放電特性分析

等離子點(diǎn)火器放電電壓-電流特性如圖3所示.每個(gè)放電周期內(nèi)均先在極短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生5.18～10.12 kV 不等的負(fù)向高電壓與1.31～1.55 kV不等的正向高電壓, 然后電壓逐漸減小至0, 一個(gè)放電周期結(jié)束.電流變化對(duì)應(yīng)于每個(gè)電壓變化周期, 在電壓達(dá)到最大值時(shí), 電流在瞬間達(dá)到最大值.每次擊穿時(shí)電流的最大值變化較小, 約為46 A, 最小值變化稍大, 為20 A左右.根據(jù)圖中所示電壓周期變化求得放電周期為0.43 s, 即等離子點(diǎn)火器工作頻率為2.33 Hz.

圖3 等離子點(diǎn)火器放電電壓-電流特性圖

研究擊穿瞬間的電流變化規(guī)律, 將圖3所示的多周期電壓-電流特性圖的一個(gè)放電周期放大, 得到圖4擊穿瞬間電壓-電流變化規(guī)律.

圖4 擊穿瞬間電壓-電流特性圖

預(yù)擊穿階段, 等離子點(diǎn)火器啟動(dòng), 電路充電, 電壓逐漸升至最大負(fù)壓, 等離子發(fā)生器正負(fù)極之間電壓迅速升高; 擊穿瞬間, 當(dāng)電壓值達(dá)到最大負(fù)壓, 正負(fù)極之間的空氣被電離, 電壓由最大負(fù)壓升到正壓, 電壓的最大值受電極間隙大小、電極形狀和電極間空氣的物性參數(shù)影響; 擊穿后階段, 即電壓達(dá)到最大正壓逐漸過(guò)渡為平穩(wěn)的階段, 電極間空氣被擊穿后高壓擊穿電路即停止工作, 電容將存儲(chǔ)的電能逐漸釋放出來(lái).由于高壓擊穿瞬間電極間空氣迅速電離, 在電場(chǎng)力、磁場(chǎng)力和熱力共同作用下電極間電壓會(huì)存在短暫的劇烈波動(dòng), 這一過(guò)程時(shí)間極短, 約為納秒級(jí)別.在電極間隙擊穿瞬間, 電極間空氣放電, 電容以振蕩模式通過(guò)間隙放電, 電流呈現(xiàn)交流衰減趨勢(shì), 當(dāng)在電壓出現(xiàn)負(fù)向擊穿電壓瞬間, 電流振蕩的半個(gè)周期約為T/2≈π(LC0)1/2=52.1 ns.其中，L是電纜的電感,C0是電容器電容.

3.1.2 等離子發(fā)生器熱射流形態(tài)分析

等離子發(fā)生器的工作電壓為220 V, 輸出電壓約為19 kV, 首先在電極間隙為3.0 mm的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn).通過(guò)高速相機(jī)記錄下來(lái)的等離子熱射流形態(tài)變化如圖5所示, 陰極和陽(yáng)極之間的高電壓將空氣擊穿, 空氣被電離的同時(shí)吸收能量, 從而形成高溫核心, 由于氣動(dòng)效應(yīng)、電磁力的作用使被電離的空氣具有一定的速度, 以等離子熱射流的形態(tài)從噴口噴出.從圖中可以看出, 等離子熱射流由噴口開(kāi)始發(fā)展, 首先形成高溫核心, 當(dāng)高溫核心發(fā)展到1.8 ms 左右時(shí)達(dá)到最大狀態(tài), 由于與周圍空氣存在熱交換, 高溫核心的熱量散發(fā)并開(kāi)始減弱, 在周圍形成低溫光暈區(qū), 隨時(shí)間發(fā)展, 高溫核心熱量逐漸減弱并消失, 低溫光暈區(qū)隨空氣流動(dòng)向前發(fā)展的同時(shí)也由于熱量散發(fā)而消失, 至此一個(gè)等離子熱射流發(fā)展過(guò)程結(jié)束, 等離子熱射流的一個(gè)發(fā)展周期時(shí)間大致為5 ms.

圖5 等離子熱射流形態(tài)變化過(guò)程

3.2 實(shí)驗(yàn)與模擬對(duì)比分析

3.2.1 計(jì)算模型及邊界條件

本文使用COMSOL軟件對(duì)等離子熱射流的多物理場(chǎng)進(jìn)行了模擬研究.COMSOL是一款專業(yè)的有限元數(shù)值模擬分析軟件, 基于偏微分方程的多物理場(chǎng)模型進(jìn)行建模和仿真計(jì)算, 既可以使用COMSOL自行建立微分方程, 也可以使用COMSOL提供的特定物理應(yīng)用模塊進(jìn)行模擬計(jì)算, 軟件通過(guò)把多個(gè)物理應(yīng)用模塊整合成對(duì)一個(gè)單一問(wèn)題的描述, 來(lái)求解多物理場(chǎng)耦合問(wèn)題.

采用二維數(shù)值模型對(duì)等離子熱射流進(jìn)行模擬, 因?yàn)槟M區(qū)域?yàn)闊嵘淞鞣秶? 因此將等離子發(fā)生器進(jìn)行簡(jiǎn)化, 數(shù)值模型如圖6所示, 模型下部左側(cè)為陰極, 右側(cè)為陽(yáng)極, 空氣從底部流入后在陰極和陽(yáng)極之間電離, 從噴口噴出形成熱射流, 實(shí)驗(yàn)測(cè)得熱射流長(zhǎng)度最長(zhǎng)可達(dá)40～50 mm, 因此設(shè)流域長(zhǎng)度為45 mm, 域1為陰極結(jié)構(gòu), 域2為流場(chǎng)結(jié)構(gòu).

圖6 等離子熱射流數(shù)值模型

陰極對(duì)應(yīng)的材料為鎢, 鎢的物性參數(shù)選擇模擬軟件自帶參數(shù), 密度為19 350 kg/m3, 電導(dǎo)率為206S/m, 恒壓熱容為132 J/(kg·K), 導(dǎo)熱系數(shù)為174 W/(km·K); 流場(chǎng)對(duì)應(yīng)的材料為空氣, 同樣選擇軟件自帶的物性參數(shù), 密度、恒壓熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、動(dòng)力黏度及電導(dǎo)率均為隨溫度變化的函數(shù).

因?yàn)榈入x子熱射流流速較低且模型結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜, 等離子熱射流的流動(dòng)受擾動(dòng)較小, 因此本文選擇層流流動(dòng)模型, 出口為壓力邊界條件; 計(jì)算場(chǎng)全局電荷守恒, 陰極區(qū)域輸入正電勢(shì); 磁場(chǎng)的初始值為零, 全局符合Ampere定律, 將電場(chǎng)計(jì)算結(jié)果作為初始參數(shù); 電極外側(cè)為絕緣邊界, 將電場(chǎng)及磁場(chǎng)計(jì)算得到的Joule熱作為熱源加入流場(chǎng).

使用流體動(dòng)力學(xué)的方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分, 選擇自由三角形網(wǎng)格, 對(duì)陰極和陽(yáng)極壁面進(jìn)行加密, 設(shè)置邊界層為5層, 網(wǎng)格總數(shù)分別為36 409, 18 486, 10 844, 網(wǎng)格的平均質(zhì)量都在0.96以上.圖7為不同網(wǎng)格噴口軸線上的溫度分布及速度分布, 從圖中可以看出, 不同的網(wǎng)格數(shù)溫度及速度的變化趨勢(shì)相同, 當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為36 409和18 486時(shí), 溫度及速度的差值很小, 可以認(rèn)為計(jì)算結(jié)果已與網(wǎng)格數(shù)無(wú)關(guān), 而當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為 10 844 時(shí)差距較大, 因此計(jì)算選擇網(wǎng)格數(shù)為18 486, 此時(shí)電極壁面網(wǎng)格最大值為0.169 mm, 全局網(wǎng)格最大值0.364 mm, 單元增長(zhǎng)率為1.08, 壁面邊界層為5層.選擇求解器中的全耦合(恒定Newton迭代法)、直接法(MUMPS)對(duì)空氣放電形成等離子熱射流進(jìn)行模擬計(jì)算.算例初始條件設(shè)定如表1所示.

圖7 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

表1 初始參數(shù)

3.2.2 實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果對(duì)比分析

在實(shí)驗(yàn)時(shí)拍攝了標(biāo)尺的長(zhǎng)度記錄圖, 以此來(lái)測(cè)量等離子熱射流的長(zhǎng)度, 當(dāng)?shù)入x子熱射流高溫核心發(fā)展到最大狀態(tài)時(shí)的長(zhǎng)度記錄圖如圖8所示.通過(guò)實(shí)驗(yàn)記錄不同間隙下形成的等離子熱射流長(zhǎng)度如圖9所示, 可以看出, 隨著放電間隙增大, 等離子熱射流的高溫核心區(qū)域增大, 低溫光暈區(qū)也隨之增大.

圖8 等離子熱射流

圖9 不同間隙下等離子熱射流形態(tài)對(duì)比

圖10為電極間隙3 mm時(shí)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比圖.通過(guò)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬得到的結(jié)果對(duì)比分析可以看出, 等離子熱射流的核心高溫區(qū)都為錐形結(jié)構(gòu), 長(zhǎng)度大致為20 mm, 但是數(shù)值模擬所得低溫區(qū)比實(shí)驗(yàn)所得低溫區(qū)長(zhǎng), 實(shí)驗(yàn)所得低溫區(qū)長(zhǎng)度與高溫區(qū)大致相同, 且低溫區(qū)上層為云團(tuán)狀結(jié)構(gòu), 這是由等離子熱射流的熱膨脹效應(yīng)導(dǎo)致的, 數(shù)值模擬并沒(méi)有很好地表現(xiàn)出這一效果.

圖10 熱射流對(duì)比圖

圖11為電極間隙2.0～3.5 mm時(shí)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比圖, 從圖中可以看出, 實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬得到的等離子熱射流形態(tài)變化趨勢(shì)大致相同, 高溫核心區(qū)和低溫光暈區(qū)都隨電極間隙的減小而減小, 但是在電極間隙2.5～3.5 mm時(shí), 數(shù)值模擬的變化并不明顯, 只是在2.0 mm時(shí)變化較大, 而實(shí)驗(yàn)結(jié)果的變化相對(duì)平均, 且數(shù)值模擬的低溫區(qū)較大.

圖11 不同間隙熱射流對(duì)比圖

綜合圖10及11的結(jié)果分析可知數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果依然存在一定差別, 因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中的實(shí)際溫度及入口速度難以測(cè)量, 且實(shí)驗(yàn)使用的電極材料與模擬軟件自帶的材料鎢的物性參數(shù)也存在差別, 因此數(shù)值模擬的部分初始條件存在一定誤差; 本次研究選擇的流動(dòng)模型為層流流動(dòng)模型, 忽略了等離子熱射流與周圍空氣的擾動(dòng)效果, 且采用的是穩(wěn)態(tài)模擬, 并沒(méi)能模擬熱射流的詳細(xì)發(fā)展過(guò)程.后續(xù)研究可以針對(duì)電極材料修正物性參數(shù), 并采用非穩(wěn)態(tài)模擬的方法對(duì)熱射流的發(fā)展過(guò)程進(jìn)行模擬, 與實(shí)驗(yàn)所得熱射流的整個(gè)發(fā)展過(guò)程進(jìn)行對(duì)比分析; 同時(shí)層流流動(dòng)模型可能無(wú)法反映出等離子熱射流從等離子發(fā)生器射出后所受的擾動(dòng)情況, 后續(xù)模擬可以考慮使用描述復(fù)雜流動(dòng)狀態(tài)的湍流模型.

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.3.1 溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分析

求解得到的等離子熱射流溫度場(chǎng)整體分布如圖12所示, 噴口軸線溫度分布如圖13所示.

圖12 溫度分布圖

圖13 噴口軸線溫度分布圖

由溫度分布圖可以看出, 空氣經(jīng)過(guò)電極之間被擊穿后, 在噴口處放電后形成等離子熱射流, 能量增大, 溫度迅速升高達(dá)到2 280 K, 因?yàn)榭諝鈮翰畹拇嬖谑箽饬鲝膰娍诖党? 高溫區(qū)也向上發(fā)展, 核心高溫區(qū)長(zhǎng)度可達(dá)15 mm, 整個(gè)熱射流長(zhǎng)度可達(dá)30 mm 左右, 帶有活性粒子的高溫?zé)嵘淞髋c燃料可以產(chǎn)生良好的化學(xué)反應(yīng)和復(fù)雜的傳熱作用, 相對(duì)于電火花點(diǎn)火等傳統(tǒng)點(diǎn)火方式加強(qiáng)了化學(xué)反應(yīng), 可以起到更好的點(diǎn)火效果.

由噴口軸線溫度分布圖可以看出, 從空氣入口到電極噴口溫度急劇升高, 空氣在噴口內(nèi)電離并獲得能量, 從噴口向外溫度逐漸降低, 高溫?zé)嵘淞髋c周圍空氣進(jìn)行流動(dòng)換熱, 熱量逐漸散失, 當(dāng)熱射流達(dá)到15 mm時(shí), 依然可以保持1 500 K以上的高溫, 因此等離子熱射流可以將高溫傳遞到燃燒室深處, 起到更好的點(diǎn)火效果.

3.3.2 速度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分析

求解得到的等離子熱射流速度場(chǎng)分布如圖14所示, 噴口軸線速度分布如圖15所示.

圖14 速度場(chǎng)分布圖

圖15 噴口軸線速度分布圖

由速度場(chǎng)分布圖可以看出在噴口處空氣流速急劇升高, 形成了局部高速區(qū)使熱射流可以以一個(gè)較大的速度噴出, 從噴口噴出后, 熱射流向四周擴(kuò)散, 速度在徑向及軸向都呈降低趨勢(shì).等離子熱射流的高速區(qū)集中在軸線附近, 因?yàn)榭諝獗浑婋x加熱而膨脹, 并且周圍的冷空氣對(duì)熱射流產(chǎn)生了熱壓縮的效果.同時(shí), 陽(yáng)極采用的是收縮結(jié)構(gòu), 會(huì)對(duì)空氣產(chǎn)生壓縮效果, 使其流速在噴口內(nèi)增大, 且電弧在磁場(chǎng)中也受到磁場(chǎng)力和Lorentz力的影響, 空氣被電離后的速度也發(fā)生了改變.

通過(guò)噴口軸線速度分布圖可以看出, 空氣流速在入口處有一個(gè)小的波動(dòng), 隨后在噴口內(nèi)逐漸升高, 熱射流從噴口噴出以后速度逐漸減小, 且見(jiàn)效的趨勢(shì)逐漸變慢, 熱射流在噴口處的最大速度可達(dá)55.6 m/s, 當(dāng)熱射流達(dá)到15 mm時(shí)也具有30 m/s的速度, 因此熱射流在到達(dá)燃燒室深處時(shí)也能夠保持一定剛度, 不易受到橫向來(lái)流的擾動(dòng), 從而保持一個(gè)較大的點(diǎn)火范圍, 起到更好的點(diǎn)火效果.

3.3.3 電流密度計(jì)算結(jié)果分析

電流密度分布如圖16所示.可以看出電流密度主要集中在陰極和陽(yáng)極之間, 并且在陰極尖端及陽(yáng)極邊緣出現(xiàn)了較大的電流密度, 其中陰極尖端達(dá)到了最大值4.72×105A/m2, 說(shuō)明電極在尖端放電形成等離子體, 因此陰極和陽(yáng)極尖端最容易因放電燒蝕.

圖16 電流密度分布圖

3.3.4 電極間隙對(duì)放電特性影響的模擬

電極間隙是影響等離子點(diǎn)火器放電的主要參數(shù).當(dāng)點(diǎn)火器使用次數(shù)過(guò)多時(shí), 電極也會(huì)發(fā)生一定的燒蝕, 此時(shí)電極間隙就會(huì)增大, 使放電效果也產(chǎn)生變化, 因此, 有必要研究不同間隙下等離子發(fā)生器的放電特性.變間隙工況如表2所示.

表2 變電極間隙工況表

對(duì)不同電極間隙下的放電特性進(jìn)行研究, 得到的溫度及速度分布曲線見(jiàn)圖17.可以看出電極間隙對(duì)放電特性的影響很大, 當(dāng)電極間隙增大時(shí), 熱射流最高溫度從3 650 K急劇減小到1 960 K, 而速度則由41.5 m/s增大到62.4 m/s.溫度降低是因?yàn)殡S著間隙增大, 空氣流通面積變大, 電極擊穿更難, 電弧長(zhǎng)度變長(zhǎng)使電流密度減小, 釋放的熱量降低且被更多的空氣吸收, 因此空氣吸熱量減小溫度會(huì)呈下降趨勢(shì); 速度增加是因?yàn)榭諝饬魍孀兇? 壁面對(duì)空氣流動(dòng)的阻力減小, 使熱射流從噴口流出的速度變大, 同時(shí)熱射流速度增大, 則減少了在電極間停留的時(shí)間, 因此一定程度上也會(huì)減少空氣的吸熱量, 使熱射流溫度降低.

圖17 溫度及速度分布曲線圖

影響電極間隙最優(yōu)值的主要因素為等離子熱射流的速度及溫度, 等離子熱射流需要同時(shí)具備高速、高溫的特性才能起到最好的點(diǎn)火效果, 且等離子發(fā)生器的壽命也需要一定保證.通過(guò)對(duì)溫度及速度分布的分析可以發(fā)現(xiàn)隨電極間隙增大, 等離子熱射流的最高溫度減小, 而最大速度增加, 空氣流量的增大使等離子熱射流的溫度降低.因此改變電極間隙也可以對(duì)等離子點(diǎn)火器的點(diǎn)火性能進(jìn)行改變, 較小的電極間隙可以使等離子熱射流具有更高的溫度, 起到更好的點(diǎn)火效果, 而較大的間隙可以使等離子熱射流具有較高的速度, 提高射流的剛度, 同時(shí)較低的溫度可以減少電極的燒蝕, 延長(zhǎng)等離子點(diǎn)火器的壽命.綜上分析, 當(dāng)電極間隙為2.5 mm時(shí), 等離子熱射流兼具較高的速度及溫度, 點(diǎn)火效果最佳; 當(dāng)電極間隙為3 mm時(shí), 等離子熱射流的溫度相對(duì)較低, 且剛度更高, 等離子發(fā)生器的壽命相比于2.5 mm時(shí)更長(zhǎng).因此, 當(dāng)點(diǎn)火溫度要求為2 000 K 以上時(shí), 電極間隙3 mm即可滿足要求, 當(dāng)點(diǎn)火溫度要求更高時(shí), 則需要以犧牲電極壽命為代價(jià)來(lái)縮小電極間隙.

4 結(jié)論

(1)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明等離子發(fā)生器最大擊穿電壓可達(dá)到10 kV以上, 最大電流值約為46 A, 放電頻率為2.33 Hz, 電極將空氣擊穿形成等離子熱射流, 等離子熱射流首先形成高溫核心向前發(fā)展, 隨著熱量交換, 高溫核心逐漸變小, 周圍形成低溫光暈, 最終熱量完全散發(fā), 整個(gè)周期持續(xù)大約5 ms.隨著電極間隙增大, 高溫核心和低溫光暈區(qū)的面積都增大.

(2)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬所得等離子熱射流形態(tài)的對(duì)比結(jié)果表明, 隨著電極間隙增大，高溫核心區(qū)域增大, 而周圍低溫區(qū)域變化趨勢(shì)不同, 且實(shí)驗(yàn)所得熱射流會(huì)因熱膨脹在上部形成云團(tuán)狀結(jié)構(gòu), 而穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬并不能表現(xiàn)出這一效果.因此數(shù)值模擬方式還有待改善, 須采用非穩(wěn)態(tài)的方式進(jìn)行計(jì)算; 電極材料參數(shù)也須根據(jù)真實(shí)使用的電極材料進(jìn)行設(shè)置; 同時(shí)層流流動(dòng)模型可能無(wú)法反映出等離子熱射流從等離子發(fā)生器射出后所受的擾動(dòng)情況, 后續(xù)模擬可以考慮使用描述復(fù)雜流動(dòng)狀態(tài)的湍流模型.

(3)數(shù)值模擬結(jié)果表明當(dāng)電極間隙為3 mm, 施加電壓70 V時(shí), 等離子熱射流的核心溫度可達(dá)2 280 K, 最大流速可達(dá)55.6 m/s.電流密度最大值主要集中在陰極和陽(yáng)極兩個(gè)端點(diǎn), 因此這兩個(gè)端點(diǎn)也是最容易被燒蝕的部分.電極間隙的變化會(huì)影響等離子熱射流的速度和溫度, 須根據(jù)實(shí)際情況選擇最佳的電極間隙.