任瓊英，趙晶晶，丁 亮，鄭慧奇，唐振宇，趙 華

(北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京100094)

1 引言

等離子體炬主要利用陰陽(yáng)極間施加的電壓加速初始電子達(dá)到電離氣體的動(dòng)能，碰撞中性氣體，使氣體原子或分子電離形成持續(xù)的等離子體。 等離子體是高導(dǎo)電率的流體，在電壓作用下產(chǎn)生等離子體電流；電流的載流子主要是等離子體電子，電子碰撞氣體中性原子或分子，加熱氣體分子。加熱的高溫氣體從等離子體炬的拉威爾型噴口噴射出來(lái)形成定向等離子體噴射流，這稱(chēng)為非轉(zhuǎn)移弧等離子體射流[1-4]。 初始電子主要是利用高壓脈沖放電或強(qiáng)電場(chǎng)尖端放電的瞬態(tài)過(guò)程形成。 利用等離子體射流的熱效應(yīng)、動(dòng)壓效應(yīng)等可對(duì)噴射的工件進(jìn)行熱處理[5]、焊接[6]、噴涂等操作[7-8]?？臻g站上利用長(zhǎng)壽命電弧可行氮?dú)夤べ|(zhì)，形成比沖約為600～1000 s 的軌道維持推力。 氮?dú)馐禽d人生保系統(tǒng)必備的氣體，因此電弧推進(jìn)劑可以與生保系統(tǒng)共用氮?dú)鈨?chǔ)箱，降低載人艙的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度。 軌道維持的電弧穩(wěn)定運(yùn)行，減少電弧熱流向陽(yáng)極通道壁面的傳遞，提高電弧的壽命，同時(shí)也降低電弧發(fā)生器對(duì)空間站的電功率需求。

在實(shí)際等離子體炬應(yīng)用中，等離子體射流的長(zhǎng)度、密度、溫度和能流密度都出現(xiàn)準(zhǔn)周期的震蕩，稱(chēng)為射流核心脈動(dòng)。 趙文華等[9]通過(guò)分析等離子體發(fā)光光譜脈動(dòng)與等離子體炬的放電電壓間的相關(guān)性，解釋了核心脈動(dòng)是由放電電壓脈動(dòng)造成。 放電電壓的脈動(dòng)一定會(huì)造成放電電流的脈動(dòng)和放電功率的脈動(dòng)，因?yàn)榈入x子體炬是一個(gè)放電型等離子體源，其伏安特性曲線決定了放電電壓的增加，會(huì)導(dǎo)致放電電流的增加和放電功率的增加。 如果放電電壓的脈動(dòng)是層流等離子體射流震蕩的主要原因，在工程應(yīng)用中研制更加穩(wěn)定的等離子體射流源就比較容易，只需在放電期間采用穩(wěn)壓電源保持放電電壓的穩(wěn)定，就能夠獲得穩(wěn)定的等離子體射流和穩(wěn)定的等離子體束應(yīng)用。 抑制電弧放電的熱膨脹不穩(wěn)定性的發(fā)生，降低電弧放電通道內(nèi)的徑向熱流傳遞，提高電弧發(fā)生器的壽命，為今后研制長(zhǎng)壽命載人空間站軌道維持的電弧推力器提供技術(shù)基礎(chǔ)。

本文通過(guò)解析一維電弧恒流放電過(guò)程的熱膨脹不穩(wěn)定性的發(fā)生過(guò)程，分析電弧自身存在熱膨脹不穩(wěn)定性；通過(guò)增加進(jìn)氣流的定向速度，解析求解出熱膨脹不穩(wěn)定性穩(wěn)定的定向速度閾值。

2 放電熱膨脹不穩(wěn)定性機(jī)制

電弧放電的部分電離等離子體在放電通道內(nèi)自身存在熱膨脹不穩(wěn)定性，即使等離子體射流源采用放電電壓穩(wěn)定度很高的穩(wěn)壓電源，也難以研制出穩(wěn)定射流的等離子體炬。 而實(shí)際的電弧多采取恒流放電的模式，在穩(wěn)態(tài)放電過(guò)程中保持放電電流的穩(wěn)定。 但在放電電流回路中，電流的載體—部分電離等離子體的電阻R 會(huì)因?yàn)榈入x子體自身的不穩(wěn)定性而呈現(xiàn)出隨時(shí)間的脈動(dòng)變化：

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，等離子體炬放電室存在固有的放電熱膨脹不穩(wěn)定性，造成放電室中電功率的沉積速率軸向分布的不平衡，使局部區(qū)域壓強(qiáng)增加(熱膨脹)，放電室內(nèi)的溫度分布不再是從陰極到陽(yáng)極的單調(diào)變化，同樣也造成等離子體密度沿軸向的非單調(diào)變化。 高溫低密度區(qū)段通過(guò)噴口噴射的羽流具有較高的速度，射流較長(zhǎng)，而低溫高密度區(qū)段從噴口噴射出去時(shí)，速度較低，射流較短，從而表現(xiàn)出等離子體射流準(zhǔn)周期性震蕩的宏觀性質(zhì)。 放電熱膨脹不穩(wěn)定性的存在與否，不依賴(lài)于放電電壓的穩(wěn)定與否，是目前等離子體炬部分電離氣體放電結(jié)構(gòu)自身固有的特性。 等離子體炬放電室還可能出現(xiàn)臘腸性不穩(wěn)定性和扭曲型不穩(wěn)定性等磁流體力學(xué)不穩(wěn)定。 這些不穩(wěn)定性耦合在一起造成宏觀的射流弧長(zhǎng)、速度、密度、能流呈準(zhǔn)周期震蕩。 放電電壓不穩(wěn)定一定可以造成射流的核心脈動(dòng)，即使放電電壓恒定，等離子體炬射流仍然可以出現(xiàn)核心脈動(dòng)。 要獲得穩(wěn)定等離子體炬射流，電壓穩(wěn)定是必要條件，但不是充分條件，即使采用恒定放電電壓，也不能獲得穩(wěn)定的等離子體炬射流。 本項(xiàng)研究重點(diǎn)是分析等離子體炬放電過(guò)程中存在放電熱膨脹不穩(wěn)定性的固有機(jī)制，為今后發(fā)展抑制放電熱膨脹不穩(wěn)定性技術(shù)奠定理論基礎(chǔ)。 而電弧電流的臘腸性不穩(wěn)定性、扭曲型不穩(wěn)定等磁流體不穩(wěn)定性與熱膨脹不穩(wěn)定性的耦合將在今后的研究中深入分析。

為了研制穩(wěn)定射流的等離子體源，需要深入了解射流不穩(wěn)定的關(guān)鍵機(jī)制并采取經(jīng)濟(jì)可行的技術(shù)措施抑制不穩(wěn)定性。 不失一般性，等離子體炬的放電過(guò)程簡(jiǎn)化為在2 個(gè)極板間的放電。 如圖1所示。

圖1 直流恒流放電等離子體炬原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of DC arc discharge plasma torch

式中，F(xiàn) 為電場(chǎng)作用力，v 為電場(chǎng)方向速度，ε為動(dòng)能，m 為質(zhì)量，e 為電子電荷，qi為離子電荷，E 為電場(chǎng)強(qiáng)度，下標(biāo)e 表示電子，下標(biāo)i 表示離子。 從式(1)可以看出電弧放電電場(chǎng)對(duì)電子的加速功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)離子的加速功率。 放電電場(chǎng)的能量主要消耗在加速電子上，而對(duì)離子的加速可以忽略不計(jì)。

假設(shè)放電氣體是純氬氣，電子與氬原子的非彈性碰撞截面，小于氬離子與氬原子的碰撞截面，因而氬離子損失的動(dòng)能比電子多，氬離子的動(dòng)能小于電子的動(dòng)能。 從式(1)看出直流電場(chǎng)對(duì)氬離子的加速功率與電子相比可以忽略不計(jì)，因?yàn)棣??1。 離子的軸向運(yùn)動(dòng)主要是受到中性粒子碰撞而獲得的定向速度和溫度。 在等離子體炬穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下，電場(chǎng)不斷加速電子，而電子不斷與中性氣體碰撞而失去動(dòng)能，中性氣體受到加熱。 穩(wěn)態(tài)放電管中軸向總壓力與進(jìn)氣端軸向總壓力保持平衡，在陰極段初始的總壓為式(2)：

ma是放電氣體分子的加權(quán)平均質(zhì)量，采用純氬氣工質(zhì)放電，單原子氣體分子質(zhì)量就是氬原子的質(zhì)量，下標(biāo)a 表示加權(quán)平均； no是中性氣體的密度，ne是電子的密度，ni是離子的密度。 放電通道內(nèi)電子溫度、離子溫度和中性氣體溫度相等，為T(mén)o。 式(2)右邊的第1 項(xiàng)是熱壓力項(xiàng)，第2 項(xiàng)是氣體的動(dòng)壓項(xiàng)。 離子密度是中性氣體密度的10%。 離子溫度與中性氣體溫度近似相等。

放電室內(nèi)的氣體密度、溫度、軸向流速都是隨z 坐標(biāo)變化的，如式(3)所示：

產(chǎn)生于陰極鞘層的電子受到電場(chǎng)加速，電子由于中性氣體粒子非彈性碰撞損失掉從電場(chǎng)獲得的動(dòng)能。 簡(jiǎn)單起見(jiàn)，假設(shè)電子在加速、碰撞過(guò)程中不再發(fā)生電離碰撞，也不再發(fā)生與離子的復(fù)合，保持電子數(shù)守恒。 因此電子在靜電加速場(chǎng)和中性氣體碰撞的共同作用下的一維方程為式(4)：

其中Ve是電子的軸向整體速度，電子的徑向熱速度分量對(duì)Ve貢獻(xiàn)不大，忽略不計(jì)；ζ 是電子與中性氣體粒子每次碰撞的速度損失率，假定為一常數(shù)；νoe是電子與中性粒子的碰撞頻率，與中性粒子密度成正比，如式(5)所示：

其中λo是電子在氣體中的平均自由程，σoe是電子與中性粒子的碰撞截面積，假定為常數(shù)。當(dāng)電子的靜電場(chǎng)加速與碰撞減速達(dá)到平衡時(shí)，電子的軸向速度不再增加，如式(6)所示：

在電子軸向速度達(dá)到飽和不再增加時(shí)，電子的軸向動(dòng)能通過(guò)與氣體粒子的碰撞產(chǎn)生速度偏轉(zhuǎn)將動(dòng)能傳遞給氣體粒子。 電場(chǎng)通過(guò)不斷地加速電子來(lái)提供電子因碰撞而損失的動(dòng)能。 電場(chǎng)加速電子的功率為式(7)：

從方程(7)可以看出在等離子體炬放電室內(nèi)，外加電場(chǎng)加速電子的功率與外加電場(chǎng)的3/2次方成正比，與氣體粒子的密度1/2 次方成反比。這種電場(chǎng)加速電子過(guò)程并不要求電場(chǎng)保持時(shí)間穩(wěn)定和空間均勻，也就是說(shuō)加速電場(chǎng)可以是一個(gè)隨時(shí)間、空間變化的參量，E ＝E(t，z)。 因而放電室局部區(qū)域氣體密度的降低會(huì)導(dǎo)致電場(chǎng)加熱氣體功率的增加。

由于加速電子與氣體粒子的頻繁碰撞，將電子的部分動(dòng)能傳遞給其他粒子(包括中性氣體分子和離子)，電子的軸向整體速度與電子的熱速度相近，假定為Ve，th＝αVe，其中α 為比例常數(shù)。這表明電場(chǎng)軸向加速電子增加電子的定向速度，但電子與離子、中性原子碰撞造成定向動(dòng)能的損失，轉(zhuǎn)變成電子、離子和中性粒子的熱能。 電子的溫度為式(8)：

為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，假定等離子體炬放電中電子、離子、中性氣體分子由于受到頻繁地碰撞和能量交換處于局部熱平衡狀態(tài)，Te＝Ti＝To，并且在整個(gè)軸向上總壓力平衡。 由公式(8)得到3kTe＝將(6)、(8)代入方程(3)，得到等離子體炬放電室內(nèi)的總壓力與加速電場(chǎng)的關(guān)系為式(9)：

其中γ 是一個(gè)不依賴(lài)于軸向位置的常數(shù)。

如果放電室內(nèi)局部區(qū)域的氣體粒子數(shù)密度出現(xiàn)隨機(jī)漲落，導(dǎo)致局部出現(xiàn)密度下降，而相鄰的區(qū)域粒子數(shù)而出現(xiàn)密度增長(zhǎng)(總粒子數(shù)守恒)，這將導(dǎo)致電加熱功率在這2 處不再平衡；密度下降的區(qū)域加熱功率增加，而密度上升區(qū)域的加熱功率減少。 從而進(jìn)一步引起加熱功率增加區(qū)域的氣體溫度增加，壓力增加，而密度增加區(qū)域的加熱功率減少，壓力減小。 2 個(gè)相鄰區(qū)域的壓力增加和減少導(dǎo)致相鄰2 個(gè)區(qū)域的密度變化正反饋：密度增加的進(jìn)一步增加，密度減少的進(jìn)一步減少，從而發(fā)展成放電熱膨脹不穩(wěn)定性。 這就是等離子體炬中放電熱膨脹不穩(wěn)定性的主要機(jī)制。

3 放電熱膨脹不穩(wěn)定性的解析分析

為了進(jìn)一步深入了解等離子體炬放電熱膨脹不穩(wěn)定性的發(fā)生機(jī)制，本文利用簡(jiǎn)單的一維數(shù)學(xué)模型分析其物理過(guò)程。 在等離子體炬放電室穩(wěn)態(tài)放電過(guò)程中，分析相鄰的兩個(gè)區(qū)域A、B，其長(zhǎng)度都為ΔZ，截面積為S，密度分別為noA、noB，氣體的整體軸向速度為VA，VB。 忽略氣體碰撞的激發(fā)和輻射，A、B 區(qū)域中粒子的熱能和動(dòng)能都是由于電場(chǎng)加速而獲得的，如式(10)所示：

其中β 是一個(gè)與軸向位置無(wú)關(guān)的常數(shù)，同理有WB＝βnoBTB。 式(10)中，右邊的第1 項(xiàng)是區(qū)域A 內(nèi)電子、離子和中性原子的總熱能，第2項(xiàng)是離子和原子的總定向動(dòng)能，忽略了電子的定向動(dòng)能。

由于偶然的隨機(jī)熱漲落，使區(qū)域A 的密度減小，變成noA-ΔnoA；A 區(qū)的密度減少導(dǎo)致B 區(qū)的密度增加為noB+ΔnoB。 如果沒(méi)有電場(chǎng)加熱過(guò)程，則漲落后的A 區(qū)總壓力小于B 區(qū)的總壓力。壓力差能夠促使壓強(qiáng)高的區(qū)域向低壓區(qū)輸運(yùn)較多的粒子，以達(dá)到壓力平衡。 因而在無(wú)電場(chǎng)加熱的狀態(tài)，管狀氣體的密度漲落會(huì)由壓力漲落提供負(fù)反饋而自洽地恢復(fù)平衡，漲落不會(huì)發(fā)展成不穩(wěn)定性。

在有電場(chǎng)加速的條件下，由于電場(chǎng)加速的功率與氣體密度的1/2 次方成反比，這就導(dǎo)致在A區(qū)的電場(chǎng)加速功率增長(zhǎng)為WA+ΔWA，而B(niǎo) 區(qū)減少為WB-ΔWB，并假定電場(chǎng)加速功率的增加或減少，都以氣體粒子溫度的增加或減少表現(xiàn)出來(lái)。

放電熱膨脹不穩(wěn)定性發(fā)生的條件為：ΔPAΔPB＞0。 在等離子體炬穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，由于氣體密度漲落造成加熱功率變化導(dǎo)致的溫度變化而形成的壓力變化，可得式(11)：

其中γ 是常數(shù)。 由粒子數(shù)守恒，ΔnoA＝ΔnoB，溫度的變化是由于電場(chǎng)加熱功率的變化而帶來(lái)的。 式中各變量如式(12)～(14)：

因此放電熱膨脹是不穩(wěn)定的，造成A 區(qū)的總壓力增加，B 區(qū)的總壓力減少。 A 區(qū)的氣體溫度高，軸向流速快，而B(niǎo) 區(qū)的氣體溫度低，軸向流速慢。 當(dāng)A 區(qū)和B 區(qū)的氣體依次流到放電管?chē)娍谔?，則表現(xiàn)為射流的長(zhǎng)度和射流的剛度出現(xiàn)準(zhǔn)周期性變化。 這種放電熱膨脹不穩(wěn)定性不是因?yàn)榉烹婋妷旱牟环€(wěn)定所造成的，而是柱狀放電管氣體自身特性所固有的。 在實(shí)際電弧發(fā)生器中采取恒流電源放電，放電氣體的熱膨脹不穩(wěn)定性導(dǎo)致放電電流回路上電流載流體—部分電離氣體的電阻呈現(xiàn)隨時(shí)間變化的特征，從而造成放電電源檢測(cè)電壓的周期性脈動(dòng)。

4 放電熱膨脹隨進(jìn)氣速度(定流量)的變化特征

以上分析是基于等離子體炬放電室氣體方程的線性變化。 也就是在處理各種擾動(dòng)量時(shí)采用一階線性近似的處理方法，適用于較低功率的電弧放電模式。 對(duì)于大功率的電弧不穩(wěn)定性的非線性發(fā)展過(guò)程需要考慮更高階的非線性項(xiàng)的貢獻(xiàn)，在本項(xiàng)研究中暫不考慮大功率的電弧的非線性效應(yīng)。 如果進(jìn)一步考慮放電氣體具有初始定向流速度，氣體密度的漲落導(dǎo)致電場(chǎng)加熱功率在相鄰區(qū)域的增加和減少，加熱導(dǎo)致增溫區(qū)的粒子快速進(jìn)入降溫區(qū)，而密度增加區(qū)的粒子因密度梯度而增加向高溫區(qū)輸運(yùn)粒子，從而對(duì)放電熱膨脹不穩(wěn)定性產(chǎn)生抑制作用。 因此初始?xì)怏w的定向流速度是抑制放電膨脹不穩(wěn)定性的重要因素之一。

進(jìn)氣在放電室進(jìn)口處定向流的動(dòng)能εk＝0.5×1.1nomaV2是氣體進(jìn)入放電室初始時(shí)刻就具有的，而不是通過(guò)放電加速電子，電子與氣體分子碰撞所傳遞的動(dòng)能。 因而放電室氣體的總壓力方程(9)則增加1 項(xiàng)氣體進(jìn)入放電室所帶有的初始動(dòng)能項(xiàng)，由(15)給出：

其中η 是動(dòng)壓系數(shù)，不依賴(lài)于放電室位置參數(shù)的常數(shù)；Vo是氣體進(jìn)入放電室就具有的定向流速度。 氣體密度漲落產(chǎn)生的加熱功率變化與前述的分析相同，只是增加了密度漲落氣體動(dòng)壓漲落項(xiàng)的變化，也就是方程(15)右邊第2 項(xiàng)的變化，如式(16)所示：

式(16)表明在進(jìn)氣帶有一定的初速度Vo時(shí)，其密度漲落導(dǎo)致的電場(chǎng)加熱功率變化，形成的總壓力(熱壓力和動(dòng)壓力)變化如式(17)所示：

從式(17)可以分析出，放電熱膨脹不穩(wěn)定性的發(fā)展是有閾值的。

式(17)右邊第1 項(xiàng)是正值，表示對(duì)不穩(wěn)定的激發(fā)項(xiàng)；右邊第2 項(xiàng)是負(fù)值，是漲落的穩(wěn)定項(xiàng)。 只有當(dāng)密度漲落造成電場(chǎng)加熱功率的變化使得式(17)右邊的第1 項(xiàng)大于第2 項(xiàng)，熱膨脹不穩(wěn)定性才能發(fā)生。 如果小于第2 項(xiàng)則等離子體炬放電室的放電熱膨脹不穩(wěn)定性得到抑制。

5 進(jìn)氣速度提高對(duì)抑制放電熱膨脹不穩(wěn)定的貢獻(xiàn)

從式(17)的分析可以看出，如果進(jìn)入放電室氣體的初始定向流速度Vo增加，使得式(17)等于零，熱膨脹不穩(wěn)定性將變成穩(wěn)定的。 因此存在一個(gè)閾值I，當(dāng)Vo超過(guò)閾值I，則初始定向流能夠抑制放電熱膨脹不穩(wěn)定性，如式(18)所示：

對(duì)于放電加熱工質(zhì)氣體的功率由式(7)給出。 也就是電場(chǎng)加熱氣體的功率正比于電場(chǎng)的3/2 次方，反比于氣體密度的1/2 次方。 在這里僅考慮氣體密度漲落造成的加熱功率變化由(19)式給出：

將方程(19)、(15)帶入方程(18)、(14)，并注意到(18)、(14)中的密度變化已經(jīng)標(biāo)量化，即已經(jīng)考慮了在A 區(qū)密度的降低和在B 區(qū)密度的增加，所以(18)、(14)式變成為式(20)：

式(20)表示穩(wěn)定熱膨脹不穩(wěn)定的閾值等于放電氣體熱速度的1/2。 因此只要放電室進(jìn)氣初始定向速度大于放電室氣體初始熱速度的一半，便可以抑制放電熱膨脹不穩(wěn)定性。

在實(shí)際應(yīng)用中，將等離子體炬氣體工質(zhì)先通過(guò)陽(yáng)極預(yù)熱，利用陽(yáng)極的高溫進(jìn)行氣體加熱膨脹，膨脹的氣體進(jìn)入放電室則提高進(jìn)氣的初始定向流速度，有助于穩(wěn)定放電熱膨脹不穩(wěn)定性。 陽(yáng)極自冷卻高效等離子體束流源，在文獻(xiàn)[10]中對(duì)本項(xiàng)研究給予了一定的實(shí)驗(yàn)支撐；同時(shí)本項(xiàng)研究也從機(jī)制上解釋通過(guò)陽(yáng)極自冷卻技術(shù)途徑可以獲得較為穩(wěn)定的電弧噴射流，且維持陽(yáng)極處于較低的溫度。 陽(yáng)極自冷卻的高效層流等離子體炬電弧利用工質(zhì)氣體在陽(yáng)極內(nèi)部循環(huán)冷卻陽(yáng)極，提高氣體溫度；再讓加熱后的氣體以更高的定向速度流入放電腔，得到穩(wěn)定的等離子體射流。 文獻(xiàn)[10]進(jìn)行了多次可重復(fù)試驗(yàn)，試驗(yàn)中等離子體炬電弧的總功率約為785 W，在大氣壓環(huán)境工作，陽(yáng)極無(wú)水冷，束流能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中，射流長(zhǎng)度無(wú)明顯變化，陽(yáng)極溫度保持在395 ℃。比對(duì)試驗(yàn)中非自冷式等離子體電話(huà)在陽(yáng)極無(wú)水冷情況下，運(yùn)行5 min 后放電中斷；在運(yùn)行期間射流長(zhǎng)度出現(xiàn)明顯的變化，陽(yáng)極明顯燒紅，溫度高達(dá)750 ℃。 通過(guò)實(shí)際實(shí)驗(yàn)的對(duì)比，也驗(yàn)證了陽(yáng)極自冷卻技術(shù)能夠穩(wěn)定等離子體炬射流[10]。 在文獻(xiàn)[10]中，分別研制了兩個(gè)放電通道完全相同的電弧發(fā)生器，其中一個(gè)電弧發(fā)生器采取陽(yáng)極自冷卻的結(jié)構(gòu)技術(shù)，讓每分鐘6 L 的進(jìn)氣預(yù)先通過(guò)陽(yáng)極預(yù)加熱膨脹增加進(jìn)入放電室的初始定向流速，來(lái)穩(wěn)定熱膨脹不穩(wěn)定性，降低放電氣體的徑向熱流傳遞，從而達(dá)到降低陽(yáng)極溫度的效果，其穩(wěn)態(tài)運(yùn)行調(diào)價(jià)下陽(yáng)極的溫度維持在395 ℃。 同時(shí)獲得穩(wěn)定的電弧噴射束流，剛度增加。 在大氣中射流的長(zhǎng)度增加；作為比較的非自冷卻電弧每分鐘6 L 的進(jìn)氣直接導(dǎo)入放電室，其射流呈現(xiàn)核心脈動(dòng)，在大氣下射流長(zhǎng)度較短，剛度較弱，陽(yáng)極的最終溫度達(dá)到750 ℃，造成非自冷卻電弧在大氣中運(yùn)行5 min后中斷電弧噴射。 本文的一維熱膨脹不穩(wěn)定性分析及初始進(jìn)氣定向流速的穩(wěn)定效果對(duì)文獻(xiàn)[10]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出了較為合理的解釋。 陽(yáng)極自冷卻技術(shù)并不是真正通過(guò)自冷卻進(jìn)氣帶走陽(yáng)極上的熱流而使陽(yáng)極溫度降低，而是通過(guò)自冷卻進(jìn)氣的預(yù)熱膨脹提高進(jìn)入放電室初始的定向流速來(lái)抑制電弧放電的熱膨脹不穩(wěn)定性，降低電弧氣體的徑向熱流傳遞來(lái)降低陽(yáng)極的溫度。

6 結(jié)論

1)放電熱膨脹不穩(wěn)定性出現(xiàn)的主要原因是放電加熱功率隨著氣體密度的下降而升高，而加熱功率的升高導(dǎo)致局部熱壓力的進(jìn)一步增大而正反饋地造成低溫高密度區(qū)的密度進(jìn)一步增加，加熱功率進(jìn)一步下降，而溫度進(jìn)一步地降低。

2)從放電熱膨脹不穩(wěn)定性的方程出發(fā)，進(jìn)一步分析出抑制放電熱膨脹不穩(wěn)定性的技術(shù)手段，即增大進(jìn)入放電室放電氣體的定向流速。 當(dāng)進(jìn)入氣體的定向流速超過(guò)穩(wěn)定性閾值，能夠抑制放電熱膨脹不穩(wěn)定性的發(fā)展。

3)在試驗(yàn)中利用陽(yáng)極自冷卻技術(shù)，將放電氣體在進(jìn)入放電室前經(jīng)過(guò)高溫陽(yáng)極的預(yù)加熱，增大進(jìn)入氣體的定向流速度，從而獲得穩(wěn)定的等離子體炬射流；從試驗(yàn)上證明放電電壓的穩(wěn)定與否不是等離子體炬射流穩(wěn)定性的內(nèi)在因素，而放電熱膨脹不穩(wěn)定性是造成等離子體炬射流不穩(wěn)定的主要核心因素之一；通過(guò)增加進(jìn)入氣體的定向流速度能夠抑制放電熱膨脹不穩(wěn)定性。

4)等離子體炬放電室主要采取金屬導(dǎo)體研制而成，因而放電等離子體的扭曲模不穩(wěn)定受到放電室導(dǎo)體的抑制，基本上不會(huì)發(fā)展起來(lái)；而放電等離子體的臘腸性模也是造成射流不穩(wěn)定性的原因之一。 對(duì)臘腸性不穩(wěn)定性的抑制作用將是未來(lái)研究的重點(diǎn)方向之一。

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