惰性氣體?空氣混合電弧流場特性研究

杜百合，張松賀，葛強(qiáng)，王茂剛

中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 超高速空氣動(dòng)力研究所，綿陽 621000

0 引 言

電弧加熱設(shè)備是開展高超聲速飛行器再入氣動(dòng)加熱研究的重要地面試驗(yàn)設(shè)備，通常將空氣介質(zhì)在電弧加熱器內(nèi)電離后，利用超聲速噴管加速獲得比較均勻的高溫流場試驗(yàn)條件[1-2]。電弧加熱器所產(chǎn)生的高電壓直流電弧通過輻射、熱傳導(dǎo)和對(duì)流的換熱方式對(duì)進(jìn)入水冷加熱器內(nèi)部的約束氣流傳輸熱能，形成高溫?zé)釟饬?。噴管出口的流場參?shù)控制是實(shí)現(xiàn)熱防護(hù)試驗(yàn)?zāi)M的關(guān)鍵[3-4]。某些情況下，采用純空氣電弧并不能獲得所需的試驗(yàn)條件，需要在空氣電弧中添加其他氣體介質(zhì)進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)。惰性氣體性能穩(wěn)定，常用作電極保護(hù)氣體，電離后對(duì)空氣電弧流場組分影響小，不參與試件表面化學(xué)反應(yīng)，不影響熱防護(hù)性能評(píng)估，可作為空氣混合電弧流場研究的主要添加氣體。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)惰性氣體電弧特性開展了廣泛的研究，早期研究以氬氣（Ar）電弧特性為主。文獻(xiàn)[5-9]中以氬氣為工作氣體，研究了層流等離子體溫度、電弧電壓、射流長度、形貌等特性。文獻(xiàn)[10-11]研究了氖氣（Ne）、氦氣（He）和氬氣等工作氣體的等離子體特性。文獻(xiàn)[12]研究了直流純氮?dú)猓∟2）層流等離子體的射流特性。在混合電弧研究方面，文獻(xiàn)[13]研究了氬氣和氬氣?氫氣（Ar?H2）混合電弧的射流特性。王德文等[14]在電弧風(fēng)洞中研究了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)模型中乙烯點(diǎn)火的動(dòng)力學(xué)特征。文獻(xiàn)[15]研究了一種用于滅弧開關(guān)的直流氫氣?氮?dú)猓℉2?N2）混合電弧在高壓條件下的等離子體特征。文獻(xiàn)[16]基于各向異性分析模型研究了轉(zhuǎn)移電弧等離子炬中蒸氣?空氣混合電弧的伏安特性。文獻(xiàn)[17]在電弧加熱設(shè)備上進(jìn)行了冷空氣與電弧高溫流場混合特性試驗(yàn)研究。

上述研究中，文獻(xiàn)[5-13，15-16]針對(duì)工業(yè)等離子體應(yīng)用，以純惰性氣體電弧、Ar?H2和H2?N2等混合電弧研究為主，主要集中在焊接和特種粉末材料制備等行業(yè)的應(yīng)用方面。文獻(xiàn)[14，17]以空氣電弧為主，研究了發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火性能和冷空氣混合對(duì)流場特性的影響。本研究針對(duì)高超聲速再入氣動(dòng)加熱模擬需求，依托電弧風(fēng)洞試驗(yàn)設(shè)備，對(duì)在空氣電弧中添加惰性氣體的超聲速流場特性展開研究，探究流場參數(shù)調(diào)節(jié)的新技術(shù)和新方法。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在20 MW 電弧風(fēng)洞中進(jìn)行，設(shè)備本體由電弧加熱器、超聲速噴管、試驗(yàn)段、擴(kuò)壓器等組成，如圖1 所示。電弧加熱器由直流電源系統(tǒng)供電，試驗(yàn)前可預(yù)先設(shè)定電弧電流；試驗(yàn)介質(zhì)由壓縮空氣控制單元和惰性氣體控制單元組成，能同時(shí)給出試驗(yàn)氣體操作壓力和質(zhì)量流率測量結(jié)果；冷卻水系統(tǒng)為電弧加熱器和超聲速噴管提供冷卻供水，能同時(shí)給出冷卻水質(zhì)量流率和進(jìn)出水的溫差。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備原理圖Fig. 1 Schematic diagram of experimental equipment

電弧加熱器為固定弧長片段式結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑80 mm；超聲速噴管為軸對(duì)稱型夾層水冷結(jié)構(gòu)，喉道直徑38 mm，出口直徑150 mm。采用SR15 mm 半球駐點(diǎn)熱流探針和圓柱形測壓探針（直徑10 mm）分別測量駐點(diǎn)熱流密度和駐點(diǎn)壓力，駐點(diǎn)熱流密度探針和駐點(diǎn)壓力探針由固定在試驗(yàn)段內(nèi)部的懸臂送入流場。

1.2 試驗(yàn)方法

預(yù)先設(shè)定電弧控制電流、氣體介質(zhì)和質(zhì)量流率，建立穩(wěn)定流場后，用懸臂將駐點(diǎn)熱流密度探針和駐點(diǎn)壓力探針分別送入噴管幾何軸線位置完成測量。在添加惰性氣體的試驗(yàn)中，先用空氣電弧建立流場，再注入惰性氣體介質(zhì)，流場穩(wěn)定后進(jìn)行試驗(yàn)參數(shù)測量。

開展了5 種氣流（空氣以及空氣中分別添加氦氣、氖氣、氬氣、氪氣），3 種電弧電流（1 100 、 1 300和1 500 A）下的試驗(yàn)研究，具體試驗(yàn)參數(shù)如表1 所示。

表1 試驗(yàn)參數(shù)Table 1 Experimental parameters

試驗(yàn)過程中測量了噴管出口駐點(diǎn)熱流密度（qs）、駐點(diǎn)壓力（pw）、出口氣流平均焓值（H0）以及電弧電壓（U）等參數(shù)，數(shù)據(jù)記錄由風(fēng)洞數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成。試驗(yàn)中，駐點(diǎn)熱流和駐點(diǎn)壓力探針與噴管出口距離均為40 mm。

1.3 測試方法

駐點(diǎn)熱流密度探針由銅半球、隔熱套、量熱塞及熱電偶組成。量熱塞直徑Φ4 mm，高7 mm，熱電偶為鎳鉻?鎳硅材料，熱電偶直徑Φ0.1 mm。熱流密度的計(jì)算基于集總熱容法，如式（1）所示：

式中：q 為熱流密度，下標(biāo)s 表示駐點(diǎn)，MW/m2；ρ為量熱塞密度，kg/m3；cp為量熱塞的定壓比熱，MJ/（kg·℃）；δ為量熱塞厚度，m；T 為量熱塞背壁面溫度，℃；t 為溫升歷經(jīng)的時(shí)間，s。量熱塞靈敏度系數(shù)和精度由熱流標(biāo)定系統(tǒng)標(biāo)定。

根據(jù)熱力學(xué)第一定律，在忽略電弧加熱器和噴管表面的輻射損失、電極或等離子體發(fā)生器材料內(nèi)部熱量損失以及氣體初始焓值的條件下，噴管出口氣體獲得的能量等于輸入能量（電弧功率，P電）與電弧加熱器和噴管冷卻水帶走能量（冷卻功率，P冷）的差值。由此可以得到噴管出口氣流平均焓值：

式中：H0單位為MJ/kg，P電、P冷單位為MW；I 為電弧電流；W 為冷卻水質(zhì)量流率， ?T為溫升。

駐點(diǎn)壓力采用量程70 kPa 的CYG 型絕壓傳感器測量。電弧電壓采用高精度電阻分壓器測量，標(biāo)定系統(tǒng)精度為0.05%。電弧電流采用磁調(diào)制式直流比較儀測量，標(biāo)定系統(tǒng)精度為0.2%。壓縮空氣質(zhì)量流率采用節(jié)流孔板流量計(jì)測量，測量精度為3%。惰性氣體質(zhì)量流率采用渦輪流量計(jì)測量，測量精度1%，重復(fù)性精度 ± 0.3%。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

圖2、3 分別給出了試驗(yàn)得到的駐點(diǎn)熱流密度和駐點(diǎn)壓力測量結(jié)果，圖4 為利用能量平衡法測量得到的噴管出口氣流平均焓值。

圖4 出口氣流平均焓值測量結(jié)果Fig. 4 Measurement results of average enthalpy value of outlet gas flow

結(jié)合表1 中的試驗(yàn)參數(shù)，分析圖2 數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：與純空氣電弧相同，添加惰性氣體后的惰性氣體?空氣混合電弧噴管出口熱流密度也隨電弧電流增大呈增大趨勢，增大的程度與氣體介質(zhì)種類相關(guān)。從圖3 可以看出：添加惰性氣體后，噴管出口的駐點(diǎn)壓力也表現(xiàn)出了隨電弧電流增大而增大的趨勢，且純空氣電弧噴管出口駐點(diǎn)壓力在電弧電流為1 300 A 時(shí)出現(xiàn)了壓力突增現(xiàn)象。

圖2 駐點(diǎn)熱流密度測量結(jié)果Fig. 2 Stagnation heat flux measurement results

圖3 駐點(diǎn)壓力測量結(jié)果Fig. 3 Stagnation pressure measurement results

分析圖4 中的出口氣流平均焓值可知：純空氣、氖氣?空氣、氪氣?空氣混合電弧焓值隨電弧電流的增大呈增大趨勢，氦氣?空氣、氬氣?空氣混合電弧的出口氣流平均焓值在電弧電流為1 300 A 時(shí)都出現(xiàn)了拐點(diǎn)，在拐點(diǎn)之后，氦氣?空氣混合電弧焓值下降，而氬氣?空氣混合電弧焓值上升。

在給定的1 100、1 300 和1 500 A 3 個(gè)電弧電流條件下，對(duì)比純空氣電弧流場駐點(diǎn)熱流密度、駐點(diǎn)壓力和焓值測量結(jié)果，進(jìn)一步分析惰性氣體?空氣混合電弧對(duì)噴管出口流場參數(shù)的影響可知：

添加氦氣的質(zhì)量流率分別占混合氣體總質(zhì)量流率的15.73%、11.46%和9.20%，與純空氣電弧流場參數(shù)比較，駐點(diǎn)熱流密度分別增大了?2.17%、1.02%、1.33%，駐點(diǎn)壓力分別降低了19.27%、29.88%和10.65%，出口氣流平均焓值分別增加了?10.82%、6.07%和3.55%。分析這些數(shù)據(jù)可知，隨著氦氣質(zhì)量流率占比的減小和電弧電流的增大，駐點(diǎn)熱流密度和氣流焓值呈現(xiàn)增加的趨勢。因此，在空氣流場中添加較小質(zhì)量流率占比的氦氣，在大電流情形下可以獲得比純空氣電弧更高的氣流焓值和熱流密度，這對(duì)某些防熱材料的氣動(dòng)加熱環(huán)境模擬非常有利。值得注意的是，氦氣?空氣混合電弧駐點(diǎn)壓力在1 300 A 電流條件下的降幅約為純空氣電弧的30%。

氖氣?空氣混合電弧在噴管出口位置處的熱流密度顯著低于氦氣?空氣混合電弧。在給定的3 個(gè)電弧電流1 100、1 300 和1 500 A 條件下，添加氖氣的質(zhì)量流率分別占混合氣體總質(zhì)量流率的46.69%、39.13%和31.66%，比純空氣電弧形成的噴管出口熱流密度分別低13.66%、11.34%、5.98%，駐點(diǎn)壓力分別低38.26%、50.51%和28.94%， 出口氣流平均焓值分別低48.16%、37.93%和29.14%。隨著氖氣質(zhì)量流率占比的降低，駐點(diǎn)熱流密度和氣流焓值降低的幅度隨著電弧電流的增大而減小。氦氣?空氣混合電弧類似，在1 300 A 電流條件下，駐點(diǎn)壓力下降幅度較大，比純空氣電弧低50.51%。

添加氬氣的質(zhì)量流率分別占?xì)怏w總流率的27.31%、21.73%、18.27%。與純空氣電弧流場參數(shù)比較，駐點(diǎn)熱流密度分別增加了?1.55%、3.53%和2.57%，駐點(diǎn)壓力分別增大了0.14%、?20.12%和?0.79%，出口氣流平均焓值降低了17.30%、24.93%和20.18%。隨著氬氣質(zhì)量流率占比的降低，熱流密度呈增大的趨勢，而出口氣流平均焓值呈下降的趨勢。隨著電弧電流的增大，熱流密度和壓力近似線性增長，而出口氣流平均焓值則非線性變化。

在所有的惰性氣體?空氣混合電弧流場中，氪氣?空氣混合電弧在噴管出口位置處的熱流密度最低。分析認(rèn)為，相同試驗(yàn)操作壓力條件下，氪氣密度（標(biāo)準(zhǔn)狀況下相對(duì)密度為3.736 kg/m3）最大，氪氣?空氣混合電弧流場后的總質(zhì)量流率比純空氣電弧流場的質(zhì)量流率分別增加了107.64%、56.23%、23.71%。受試驗(yàn)操作壓力限制，試驗(yàn)中氪氣的質(zhì)量流率已經(jīng)超過了空氣質(zhì)量流率，氪氣質(zhì)量流率分別占實(shí)驗(yàn)氣體總流率的71.36%、71.13%和71.58%。相比于純空氣電弧流場的參數(shù)，駐點(diǎn)熱流密度分別降低了14.80%、19.05%和27.16%，駐點(diǎn)壓力分別降低了38.40%、63.44%和61.54%，出口氣流平均焓值降低了71.74%、69.26%和67.38%。出口氣流平均焓值的大幅降低引起了熱流密度和壓力的降低（圖2、3）。

綜合分析上述4 種添加氣體對(duì)氣流焓值的影響可以發(fā)現(xiàn)：氦氣?空氣、氖氣?空氣混合電弧在對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)條件下的總質(zhì)量流率與純空氣電弧的總質(zhì)量流率非常接近（表1），氖氣質(zhì)量流率在總質(zhì)量流率中的占比約為氦氣質(zhì)量流率占比的3 倍；而相比于純空氣電弧，混合電弧出口氣體平均焓值最高下降了48.16%，最低也下降了接近30%。分析認(rèn)為：相比于氦氣，對(duì)于氖氣這種分子量較大的氣體，在混合氣體總質(zhì)量流率一定的情況下，盡可能降低其質(zhì)量流率的占比，才能減小混合氣體電弧噴管氣流焓值降低的幅度，這個(gè)結(jié)論同樣適用于添加其他大分子量惰性氣體的情況。

為了獲得更寬參數(shù)范圍內(nèi)添加惰性氣體對(duì)焓值的影響規(guī)律，通過對(duì)影響焓值的控制參數(shù)試驗(yàn)相關(guān)性分析可知：試驗(yàn)條件下噴管出口焓值與添加惰性氣體的質(zhì)量流率占比、氣體總質(zhì)量流率和電弧電流相關(guān)。因此，可以假定出口氣流平均焓值H0與惰性氣體的質(zhì)量流量占比η、氣體總質(zhì)量流率G、電弧電流I 存在以下關(guān)系：

可利用多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)求解上述方程，從而確定出待定系數(shù)a、b 和c。對(duì)于不同的惰性氣體，可以得到不同的a、b、c 值。根據(jù)求解的試驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，計(jì)算分析了添加不同惰性氣體的混合電弧噴管出口平均焓值隨電弧電流、總質(zhì)量流率變化的規(guī)律。

圖5 為氣體總質(zhì)量流率0.3 kg/s、惰性氣體（He/Ne/Kr）添加質(zhì)量流率占比20%條件下噴管出口平均焓值隨電弧電流I 的變化規(guī)律。從圖5 可以看出：添加惰性氣體的混合電弧和純空氣電弧在噴管出口的平均焓值均隨著電弧電流的升高而增大，但增大的幅度各不相同。氦氣?空氣混合電弧噴管出口平均焓值高于純空氣電弧，且隨著電弧電流的增大，二者差值越大。氖氣?空氣混合電弧的焓值在電弧電流大于5 000 A 時(shí)超過了純空氣電弧，電弧電流大于5 800 A 時(shí)超過了氦氣?空氣混合電弧，說明在大電流情形下氖氣?空氣混合電弧可獲得更高的焓值。氪氣?空氣混合電弧的噴管出口平均焓值遠(yuǎn)低于純空氣電弧，隨電流增大而增大的趨勢比較緩慢。

圖5 出口氣流平均焓值隨電弧電流變化曲線Fig. 5 Average enthalpy of outlet gas flow versus arc current curve

圖6 為I=2 000 A、惰性氣體質(zhì)量流率占比一定時(shí)，噴管出口平均焓值隨總質(zhì)量流率變化的規(guī)律。從圖6 中可以看出：2 000 A 電弧電流條件下，添加10%氦氣的混合電弧噴管出口平均焓值在總質(zhì)量流率小于0.2 kg/s 時(shí)低于純空氣電弧，總質(zhì)量流率大于0.2 kg/s 時(shí)高于純空氣電弧，且隨總質(zhì)量流率的增大而增大。值得注意的是：添加10%的氖氣?空氣混合電弧噴管出口平均焓值在總質(zhì)量流率大于0.8 kg/s 后超過了相同質(zhì)量流量條件下純空氣電弧噴管出口平均焓值，總質(zhì)量流率大于0.9 kg/s 后超過了氦氣?空氣混合電弧噴管出口平均焓值，說明氖氣?空氣混合電弧在大質(zhì)量流率條件下可獲得比純空氣電弧和氦氣?空氣混合電弧更高的噴管出口平均焓值，這一現(xiàn)象還有待進(jìn)一步研究。

圖6 出口氣流平均焓值隨總質(zhì)量流率的變化曲線Fig. 6 Average enthalpy of outlet gas flow versus mass flow rate curve

圖7 為電弧電流分別為1 000、2 000 和3 000 A條件下，添加10%氦氣的混合電弧和純空氣電弧焓值隨總質(zhì)量流率變化的規(guī)律。從圖7 中可以看出：不同電流條件下，純空氣電弧的出口氣流平均焓值隨總質(zhì)量流率的增大逐漸減小，符合純空氣電弧出口氣流平均焓值與質(zhì)量流率的一般規(guī)律。但添加氦氣的混合電弧出口氣流平均焓值在氦氣質(zhì)量流率占比一定的情況下，出口氣流平均焓值隨總質(zhì)量流率的增大而逐漸增大，說明在大質(zhì)量流率條件下，添加一定比例的氦氣可獲得比純空氣電弧更高的氣流焓值，這為我們?cè)诖筚|(zhì)量流率條件下獲得更高的氣流焓值提供了一種新的技術(shù)途徑。

圖7 氦氣?空氣混合電弧與純空氣電弧的出口氣流平均焓值比較Fig. 7 Comparison of average enthalpy of outlet gas flow between helium–air mixed arc and air arc

3 結(jié) 論

在電弧風(fēng)洞空氣電弧中，通過添加氦氣、氖氣、氬氣和氪氣等惰性氣體獲得惰性氣體?空氣混合電弧，研究了超聲速噴管出口的流場參數(shù)變化規(guī)律。在本試驗(yàn)設(shè)備參數(shù)范圍內(nèi)，得到如下結(jié)論：

添加氦氣的質(zhì)量流率占比較小時(shí)，氦氣?空氣混合電弧可獲得比純空氣電弧更高的出口氣流平均焓值和熱流密度；添加氖氣、氬氣或氪氣形成的惰性氣體?空氣混合電弧出口氣流平均焓值都低于純空氣電弧，且隨電弧電流的增大呈增大趨勢，增大的程度與添加氣體介質(zhì)的種類和質(zhì)量流率占比有關(guān)；氖氣?空氣混合電弧在大電流情形下可獲得比純空氣電弧和氦氣?空氣混合電弧更高的出口氣流平均焓值。

在空氣電弧中添加適量小分子量惰性氣體（如氦氣、氖氣）形成的混合電弧可獲得比純空氣電弧更高的出口氣流平均焓值，這對(duì)大功率電弧加熱器性能拓展以及防熱材料性能試驗(yàn)評(píng)估需求條件（高焓、高熱流密度流場）的實(shí)現(xiàn)具有重要意義，有必要在大功率電弧加熱風(fēng)洞中進(jìn)一步開展更大電流條件下添加小分子量惰性氣體對(duì)流場參數(shù)的影響規(guī)律以及大口徑噴管流場均勻性和流場組分的測量研究，為將來工程應(yīng)用研究積累技術(shù)基礎(chǔ)。