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一種等離子體發(fā)生器的模擬方法

文檔序號(hào):8943197閱讀:767來源:國知局
一種等離子體發(fā)生器的模擬方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電磁流體模擬計(jì)算技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及一種等離子體發(fā)生器的模擬方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 對(duì)等離子體發(fā)生器內(nèi)的物理過程的研究有助于更好地控制和利用等離子體發(fā)生 器。由于等離子體發(fā)生器內(nèi)部存在著電磁場、電極過程、導(dǎo)電流體以及傳熱傳質(zhì)之間的復(fù)雜 相互作用,對(duì)其內(nèi)部等離子體物理過程的研究非常困難。同時(shí),由于等離子體發(fā)生器內(nèi)部空 間狹小,采用實(shí)驗(yàn)手段測(cè)量其內(nèi)部的溫度、速度分布以及電弧弧根位置等也同樣非常困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于,提供一種等離子體發(fā)生器的模擬方法,能夠?qū)?等離子體發(fā)生器的電場、磁場、熱力場、流場進(jìn)行全面和準(zhǔn)確的建模分析,成為等離子體發(fā) 生器開發(fā)的重要手段。
[0004] 為了解決上述技術(shù)問題,本發(fā)明提供一種等離子體發(fā)生器的模擬方法,包括: 步驟Sl,在ANSYS軟件中對(duì)等離子體發(fā)生器進(jìn)行三維建模; 步驟S2,對(duì)所述建立的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分; 步驟S3,設(shè)置所述模型的材料和邊界條件; 步驟S4,對(duì)所述模型加載磁流體力學(xué)MHD模塊; 步驟S5,初始化流場; 步驟S6,選擇求解器、速度場壓力場耦合方式及空間離散格式; 步驟S7,通過模擬計(jì)算,獲得等離子體發(fā)生器在運(yùn)行期間的各種場數(shù)據(jù)。
[0005] 其中,所述步驟Sl建立的等離子發(fā)生器模型中,陰極和三個(gè)陽極均由循環(huán)水冷 卻,工作時(shí),首先在陰極和第一陽極間通過高電壓擊穿,使周圍氣體電離,最終電弧穩(wěn)定維 持在陰極和第三陽極之間,工作氣體從三個(gè)進(jìn)氣口注入,被電弧加熱后從第三陽極噴出形 成等離子體射流。
[0006] 其中,所述步驟S2具體包括: 在第一進(jìn)氣口、第二進(jìn)氣口和第一陽極的區(qū)域劃分為四面體網(wǎng)格,其余部分均劃分為 六面體網(wǎng)格;在壁面附近采用棱柱網(wǎng)格加密;所述各網(wǎng)格質(zhì)量均大于0. 3。
[0007] 其中,在數(shù)值模型中增加延伸段網(wǎng)格,以減少出口邊界條件對(duì)第三陽極出口的影 響。
[0008] 其中,所述步驟S3具體包括: 常溫純氮?dú)夥謩e從所述三個(gè)進(jìn)氣口注入,其中所述三個(gè)進(jìn)氣口的進(jìn)孔尺寸、個(gè)數(shù)、中心 圓圈直徑、進(jìn)氣方向、半徑夾角、體積流量參數(shù)輸入到邊界條件中;水冷壁面水溫和對(duì)流換 熱系數(shù)參數(shù)輸入到計(jì)算邊界條件中;假設(shè)陰極上電流密度分布沿半徑變化的函數(shù)并編程輸 入邊界條件中。
[0009] 其中,所述步驟S3具體包括: 將等離子體的物性隨溫度變化的數(shù)據(jù)編制表格,導(dǎo)入到Fluent的材料庫中。
[0010] 其中,所述步驟S4中所述MHD模塊通過命令行激活。
[0011] 其中,所述步驟S4中采用電勢(shì)法,通過在流體力學(xué)控制方程中添加附加的源項(xiàng)實(shí) 現(xiàn)親合。
[0012] 其中,所述步驟S4還包括: 在所述MHD模塊中選擇求解器方程和包含焦耳熱的求解器方程,求解器控制中選擇速 度場壓力場耦合方式,空間離散格式均采用二階迎風(fēng)格式,同時(shí)選擇高階項(xiàng)松弛以幫助收 斂。
[0013] 其中,所述步驟S5具體包括: 在起初的迭代中關(guān)閉電磁方程,只求解流體和能量方程,等計(jì)算穩(wěn)定后,再打開電磁方 程繼續(xù)求解。
[0014] 其中,所述步驟S6中,所述求解器選擇壓力基求解器,所述速度場壓力場耦合方 式選擇SMPLE,所述空間離散格式選擇二階迎風(fēng)格式。
[0015] 本發(fā)明實(shí)施例的有益效果在于,克服了現(xiàn)有等離子體發(fā)生器的物理過程研究及實(shí) 驗(yàn)過程的諸多困難,采用數(shù)值模擬方法,以一種經(jīng)濟(jì)、有效的技術(shù)手段,對(duì)等離子體發(fā)生器 的物理過程進(jìn)行數(shù)值模擬,對(duì)發(fā)生器的電場、磁場、熱力場、流場進(jìn)行全面和準(zhǔn)確的建模分 析,提供了等離子體發(fā)生器工業(yè)應(yīng)用中亟需的分析方法,可以成為等離子體發(fā)生器開發(fā)的 重要手段。
【附圖說明】
[0016] 為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案,下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹,顯而易見地,下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的一些實(shí)施例,對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講,在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下,還可以 根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0017] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例一種等離子體發(fā)生器的模擬方法的流程示意圖。
[0018] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例中等離子體發(fā)生器的數(shù)值模型示意圖。
[0019] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例中獲得的流場的溫度示意圖。
[0020] 圖4是本發(fā)明實(shí)施例中獲得的流場的電流密度示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 以下各實(shí)施例的說明是參考附圖,用以示例本發(fā)明可以用以實(shí)施的特定實(shí)施例。
[0022] 本發(fā)明采用數(shù)值模擬方法,基于ANSYS軟件(是由美國ANSYS公司開發(fā)的一種融 結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件),對(duì)發(fā)生器的電場、磁 場、熱力場、流場進(jìn)行全面和準(zhǔn)確的建模分析,可以成為等離子體發(fā)生器開發(fā)的重要手段。
[0023] 請(qǐng)參照?qǐng)D1所示,本發(fā)明實(shí)施例提供一種等離子體發(fā)生器的模擬方法,包括: 步驟Sl,在ANSYS軟件中對(duì)等離子體發(fā)生器進(jìn)行三維建模; 步驟S2,對(duì)所述建立的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分; 步驟S3,設(shè)置所述模型的材料和邊界條件; 步驟S4,對(duì)所述模型加載磁流體力學(xué)MHD模塊; 步驟S5,初始化流場; 步驟S6,選擇求解器、速度場壓力場耦合方式及空間離散格式; 步驟S7,通過模擬計(jì)算,獲得等離子體發(fā)生器在運(yùn)行期間的各種場數(shù)據(jù)。
[0024] 以下對(duì)各步驟分別進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0025] 步驟Sl中,對(duì)于簡單的幾何模型,可以在ANSYS DM模塊或ICEM模塊中完成。復(fù) 雜模型可通過UG\Catia等CAD建模后導(dǎo)出。為了節(jié)省網(wǎng)格數(shù)量,對(duì)計(jì)算分析結(jié)果影響不大 的幾何細(xì)節(jié)可以適度簡化。
[0026] 請(qǐng)結(jié)合圖2所示,等離子發(fā)生器的陰極和三個(gè)陽極(第一陽極1、第二陽極2、第三 陽極3)均由循環(huán)水冷卻。工作時(shí),首先在陰極和第一陽極1間通過高電壓擊穿,使周圍氣 體電離(簡稱起弧階段),最終電弧穩(wěn)定維持在陰極和第三陽極3之間。工作氣體從三個(gè)進(jìn) 氣口(第一進(jìn)氣口 1、第二進(jìn)氣口 2和第三進(jìn)氣口 3)注入,被電弧加熱后從第三陽極3噴出 形成等離子體射流。
[0027] 步驟S2的網(wǎng)格劃分是在ANSYS前處理工具中完成。具體的,在第一進(jìn)氣口 1、第二 進(jìn)氣口 2和第一陽極1的區(qū)域劃分為四面體網(wǎng)格,其余部分均劃分為六面體網(wǎng)格。在壁面 附近采用棱柱網(wǎng)格加密,以更好的捕捉邊界層的效應(yīng)。網(wǎng)格質(zhì)量均大于0.3。另外,在數(shù)值 模型中增加了延伸段網(wǎng)格,以減少出口邊界條件對(duì)第三陽極3出口的影響。
[0028] 步驟S3中,等離子體發(fā)生器工作時(shí),常溫純氮?dú)猓═=300K,P=0. 5MPa)分別從三個(gè) 進(jìn)氣口 1、2、3注入,其中進(jìn)氣口 1、2、3的進(jìn)孔尺寸、個(gè)數(shù)、中心圓圈直徑、進(jìn)氣方向、半徑夾 角、體積流量等參數(shù)輸入到邊界條件中。水冷壁面水溫和對(duì)流換熱系數(shù)等參數(shù)輸入到邊界 條件中。假設(shè)陰極上電流密度分布沿半徑變化的函數(shù)并編程輸入邊界條件中。
[0029] 由于電弧等離子體的特殊性,它的輻射既包括連續(xù)譜也包括包含成百上千條譜線 的線性譜,并且等離子體的成分也是非常復(fù)雜的,這種頻率分布和成分的復(fù)雜性使得熱輻 射的精確計(jì)算在現(xiàn)階段是不可能的。通常,電弧輻射散熱的處理是用一個(gè)所謂的"凈輻射系 數(shù)"NEC (Net Emission Coefficient)來近似進(jìn)行的。大多數(shù)的弧柱熱福射位于紫外線頻 率范圍內(nèi),而這種頻率的熱輻射通常認(rèn)為被電弧邊界內(nèi)的等離子體成分所吸收,為了模擬 電弧的這種特性,采用在電弧邊界處取凈輻射系數(shù)為一負(fù)系數(shù)的方法。而且在本發(fā)明實(shí)施 例中,認(rèn)為電弧熱輻射邊界為溫度8000K處,在溫度低于8000K時(shí),熱輻射就不再是重要的 熱損失機(jī)制,此時(shí)凈輻射系數(shù)取為零。
[0030] 本發(fā)明實(shí)施例的純氮?dú)獾入x子體凈輻射系數(shù)NEC的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取自文獻(xiàn) 《Calculation of net emission coefficient in N2 SF6 and SF6- N2 arc plasma》(作 者A Gleizes等)。在Fluent中編制UDF (User-Defined Function,用戶自定義函數(shù))子 程序,將NEC實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合為五階多項(xiàng)式,通過自定義源項(xiàng)的方式修正能量方程。
[0031] 流體的物性包括密度、粘度、比熱、熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率。將等離子體的物性隨 溫度變化的數(shù)據(jù)編制表格,導(dǎo)入到Flu
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