直流电弧等离子体发生器的数值模拟及电子束离子阱物理研究说课讲解.ppt

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1、直流电弧等离子体发生器的数值模拟及电子束离子阱物理研究直流电弧等离子体发生器中的主要物理过程直流电弧等离子体发生器中的主要物理过程v等离子体电流产生的感应磁场和电流的相互作用v等离子体发生器内存在强焦耳加热效应v高温等离子体的输运系数是非线性的，通常和等离子体温度和压力有关v等离子体发生器内部的等离子体流动处于湍流流动状态基本假定基本假定v等离子体处于局部热力学平衡(LTE)状态v阴极和阳极附近区域的复杂物理过程采用简化模型来考虑v等离子体的工作气体均为纯氩气(特别的说明除外)，不考虑化学反应非平衡的影响。v和轴向速度相比，旋转气体的速度很小，本文不考虑旋转进气的影响v等离子体的辐射可以用体辐

2、射系数来表示。数学模型数学模型湍流模型湍流模型数值求解方法数值求解方法v上述方程很复杂，无法得到解析解 v各个方程结构相似，都包含对流项、扩散项和源项 v方程为非线性的，比如对流项有三个应变量，是三次项。非线性的方程需要用迭代的方法求解 v本文采用SIMPLE类算法来求解上述方程组SIMPLE 类算法的求解步骤类算法的求解步骤v假设一个速度分布，以此计算动量离散方程中的系数以及常数项 v假设一个压力场分布 v依次求解动量方程 v求解压力修正值方程，得到压力修正值 v根据求解得到压力修正值改进速度值 v利用改进后的速度场求解那些通过源项、物性等与速度耦合的变量 v利用改进后的速度场从新计算动量离

3、散方程的系数，并用改进后的压力场作为下一层顶点计算的初值。重复上述步骤，直到得到收敛解为止 Case No.电流(A)功率功率(W)电压电压(V)最高温度最高温度(K)实验实验计算计算炬内炬内出口出口B 242501,38019.4417.9216,98911,279B 285002,97019.9218.1217,39511,663B 327504,74020.4419.2622,14112,661Idaho 国家工程实验室实验用等离子体炬及其产生的等离子体射流的数值模拟 250A,15.1 l/min STP500A,15.1 l/min STP750A,15.1 l/min STP等离子

4、体射流的数值模拟等离子体射流的数值模拟v不同环境气体中的等离子体射流特性研究v超音速等离子体射流等离子体炬的数值模拟等离子体炬的数值模拟v标准结构阳极等离子体炬的二维以及三维模拟v收缩-发散形状阳极等离子体炬的模拟v阶梯形状阳极等离子体炬的模拟v不同形状阳极等离子体炬内部流场特性的比较性研究高价态离子在高价态离子在EBIT中演化过程的模拟中演化过程的模拟v物理模型的改进v和LLNL实验结果的比较验证v参数研究湍流的影响参数研究参数研究三维数值模拟Case Tmax(K)Tom(K)Umax(m/s)Uom(m/s)Vcal(V)Vexp.(V)3D23,01514,9301,6981,6603

5、9.042.02D27,19218,0513,0873,00240.242.0超音速等离子体炬的数值模拟阶梯形状阳极结构等离子体炬的模拟阶梯形状阳极结构等离子体炬的模拟比较性研究比较性研究CaseCaseNet Net PowerPowerCurrent Current(A)(A)Gas inflowGas inflowL/minL/minThermal Thermal EfficiencyEfficiencyTorch Torch 1 140 40 KWKW600600505061.3%61.3%Torch Torch 2 280 80 KWKW90090015015056.7%56.7%T

6、orch Torch 3 380 80 KWKW90090015015051.4%51.4%湍流的影响湍流的影响超音速等离子体射流的数值模拟超音速等离子体射流的数值模拟EBIT物理研究模型的改进模型的改进v由于高价态粒子在强磁场中，受强磁场的约束，不考虑高价态粒子的径向逃逸以及由此而带来的能量损失。v考虑了漂移管几何位形、高能电子束的空间电荷累积效应对轴向势的修正。v考虑了高价态粒子在电子束半径内不同位置电离时所具有的附加加热效果。演化方程演化方程 轴向势的影响 中性气体密度的影响 电子束电流密度的影响和和 LLNL 实验的比较实验的比较 The end Thanks此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢