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, 國內(nèi)外學(xué)者針對長間隙、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)是近些年來在艦船發(fā)動機(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, 等離子點(diǎn)火方面的研究越來越多, 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, 放電處于自脈沖狀態(tài), 當(dāng)平均電流I>10 mA 時, 放電狀態(tài)為輝光放電, 電壓和電流無振蕩.Tardiveau等[9]研究了在不同壓力下, 點(diǎn)對面放電在短時、高電壓下的發(fā)展, 發(fā)現(xiàn)當(dāng)壓力增加時, 放電不再完全擴(kuò)散, 而是向纖維狀模式發(fā)展, 在4個大氣壓以上時, 由于壓力過高, 通過熱擴(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]對空氣中短間隙的流注放電過程進(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.通過引入網(wǎng)格自適應(yīng)剖分法和并行計算方法優(yōu)化了求解時間過長的問題, 提高了計算精度和效率, 采用的流注流體模型及求解方法能夠?qū)⒘髯l(fā)展的微觀過程展現(xiàn)出來, 模擬結(jié)果與實驗結(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、場強(qiáng)增加, 因此電弧更快地產(chǎn)生, 且電弧受電場力的影響橫向發(fā)展, 使得電弧半徑增大.

實驗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困難[11-12], 因為空氣放電屬于電場、流場、磁場、溫度場等多物理場耦合的研究, 需要一系列的簡化以及經(jīng)驗公式和物理模型的應(yīng)用才能實現(xiàn)對簡單二維結(jié)構(gòu)的模擬, 而且模擬參數(shù)的獲取也需要以實驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ), 為了推導(dǎo)出數(shù)值模擬所需的經(jīng)驗公式, 就需要通過實驗采集數(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].本文首先通過實驗研究的方式獲取了等離子發(fā)生器的放電過程, 隨后使用數(shù)值模擬的方法對等離子熱射流的形態(tài)進(jìn)行了研究, 并將其與實驗所得熱射流形態(tài)進(jìn)行對比分析, 最后對比分析了等離子發(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 實驗裝置

等離子熱射流實驗裝置由自主設(shè)計的等離子發(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, 陽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.等離子熱射流實驗系統(tǒng)如圖1所示.

圖1 等離子熱射流實驗裝置圖

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, 通過整流電路后變?yōu)橹绷麟? 隨后脈沖發(fā)生電路對輸入電路的頻率進(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)計高壓擊穿單元, 實現(xiàn)放電起弧過程, 電路充電時的負(fù)電勢最高可達(dá)10 kV.在蓄能電路中, 通過電容儲能的方式獲得等離子點(diǎn)火需要的能量, 放電時電容電路導(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, 電容儲存的能量轉(zhuǎn)化為等離子熱射流的熱能、動能及粒子的化學(xué)能.電容能量完全釋放后, 電路斷開, 電壓及電流迅速降低, 至此一個放電周期結(jié)束, 控制電路開始進(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)展過程.

高速相機(jī)使用的是美國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, 最小曝光時間300 ns, 本次實驗應(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)展過程.

2 數(shù)學(xué)模型

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

(1)層流

流場域2為空氣流通區(qū)域;

質(zhì)量守恒方程見式(1)

(1)

式中,ρ為空氣密度,V為空氣流速.

動量守恒方程見式(2)

F=ρg+ρeE+J×B

(2)

式中,ρg為重力,ρeE為電場力,J×B為Lorentz力.

能量守恒方程見式(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

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

(4)

(5)

(6)

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

(3)磁場

流體域2: 由空氣放電產(chǎn)生的磁場區(qū)域, 平衡方程見式(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為磁場強(qiáng)度.

(4)流體傳熱

流體域2為空氣流動傳熱區(qū)域, 平衡方程見式(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4個求解模塊進(jìn)行設(shè)置, 在求解過程中將這4個模塊進(jìn)行耦合計算, 將電場模塊計算出的電壓及電流結(jié)果作為初始條件導(dǎo)入磁場模塊, 接著計算出磁場強(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 等離子放電實驗結(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.每個放電周期內(nèi)均先在極短時間內(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, 一個放電周期結(jié)束.電流變化對應(yīng)于每個電壓變化周期, 在電壓達(dá)到最大值時, 電流在瞬間達(dá)到最大值.每次擊穿時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, 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, 電容將存儲的電能逐漸釋放出來.由于高壓擊穿瞬間電極間空氣迅速電離, 在電場力、磁場力和熱力共同作用下電極間電壓會存在短暫的劇烈波動, 這一過程時間極短, 約為納秒級別.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間隙放電, 電流呈現(xiàn)交流衰減趨勢, 當(dāng)在電壓出現(xiàn)負(fù)向擊穿電壓瞬間, 電流振蕩的半個周期約為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)行實驗.通過高速相機(jī)記錄下來的等離子熱射流形態(tài)變化如圖5所示, 陰極和陽極之間的高電壓將空氣擊穿, 空氣被電離的同時吸收能量, 從而形成高溫核心, 由于氣動效應(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)并開始減弱, 在周圍形成低溫光暈區(qū), 隨時間發(fā)展, 高溫核心熱量逐漸減弱并消失, 低溫光暈區(qū)隨空氣流動向前發(fā)展的同時也由于熱量散發(fā)而消失, 至此一個等離子熱射流發(fā)展過程結(jié)束, 等離子熱射流的一個發(fā)展周期時間大致為5 ms.

圖5 等離子熱射流形態(tài)變化過程

3.2 實驗與模擬對比分析

3.2.1 計算模型及邊界條件

本文使用COMSOL軟件對等離子熱射流的多物理場進(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模型進(jìn)行建模和仿真計算, 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)行模擬計算, 軟件通過把多個物理應(yīng)用模塊整合成對一個單一問題的描述, 來求解多物理場耦合問題.

采用二維數(shù)值模型對等離子熱射流進(jìn)行模擬, 因為模擬區(qū)域為熱射流范圍, 因此將等離子發(fā)生器進(jìn)行簡化, 數(shù)值模型如圖6所示, 模型下部左側(cè)為陰極, 右側(cè)為陽極, 空氣從底部流入后在陰極和陽極之間電離, 從噴口噴出形成熱射流, 實驗測得熱射流長度最長可達(dá)40～50 mm, 因此設(shè)流域長度為45 mm, 域1為陰極結(jié)構(gòu), 域2為流場結(jié)構(gòu).

圖6 等離子熱射流數(shù)值模型

陰極對應(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); 流場對應(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)、動力黏度及電導(dǎo)率均為隨溫度變化的函數(shù).

因為等離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受擾動較小, 因此本文選擇層流流動模型, 出口為壓力邊界條件; 計算場全局電荷守恒, 陰極區(qū)域輸入正電勢; 磁場的初始值為零, 全局符合Ampere定律, 將電場計算結(jié)果作為初始參數(shù); 電極外側(cè)為絕緣邊界, 將電場及磁場計算得到的Joule熱作為熱源加入流場.

使用流體動力學(xué)的方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分, 選擇自由三角形網(wǎng)格, 對陰極和陽極壁面進(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相同, 當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為36 409和18 486時, 溫度及速度的差值很小, 可以認(rèn)為計算結(jié)果已與網(wǎng)格數(shù)無關(guān), 而當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為 10 844 時差距較大, 因此計算選擇網(wǎng)格數(shù)為18 486, 此時電極壁面網(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)對空氣放電形成等離子熱射流進(jìn)行模擬計算.算例初始條件設(shè)定如表1所示.

圖7 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

表1 初始參數(shù)

3.2.2 實驗與模擬結(jié)果對比分析

在實驗時拍攝了標(biāo)尺的長度記錄圖, 以此來測量等離子熱射流的長度, 當(dāng)?shù)入x子熱射流高溫核心發(fā)展到最大狀態(tài)時的長度記錄圖如圖8所示.通過實驗記錄不同間隙下形成的等離子熱射流長度如圖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)對比

圖10為電極間隙3 mm時實驗與數(shù)值模擬結(jié)果的對比圖.通過實驗與數(shù)值模擬得到的結(jié)果對比分析可以看出, 等離子熱射流的核心高溫區(qū)都為錐形結(jié)構(gòu), 長度大致為20 mm, 但是數(shù)值模擬所得低溫區(qū)比實驗所得低溫區(qū)長, 實驗所得低溫區(qū)長度與高溫區(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)值模擬并沒有很好地表現(xiàn)出這一效果.

圖10 熱射流對比圖

圖11為電極間隙2.0～3.5 mm時實驗與數(shù)值模擬結(jié)果的對比圖, 從圖中可以看出, 實驗與數(shù)值模擬得到的等離子熱射流形態(tài)變化趨勢大致相同, 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, 數(shù)值模擬的變化并不明顯, 只是在2.0 mm時變化較大, 而實驗結(jié)果的變化相對平均, 且數(shù)值模擬的低溫區(qū)較大.

圖11 不同間隙熱射流對比圖

綜合圖10及11的結(jié)果分析可知數(shù)值模擬與實驗得出的結(jié)果依然存在一定差別, 因為實驗中的實際溫度及入口速度難以測量, 且實驗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模型為層流流動模型, 忽略了等離子熱射流與周圍空氣的擾動效果, 且采用的是穩(wěn)態(tài)模擬, 并沒能模擬熱射流的詳細(xì)發(fā)展過程.后續(xù)研究可以針對電極材料修正物性參數(shù), 并采用非穩(wěn)態(tài)模擬的方法對熱射流的發(fā)展過程進(jìn)行模擬, 與實驗所得熱射流的整個發(fā)展過程進(jìn)行對比分析; 同時層流流動模型可能無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情況, 后續(xù)模擬可以考慮使用描述復(fù)雜流動狀態(tài)的湍流模型.

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.3.1 溫度場計算結(jié)果分析

求解得到的等離子熱射流溫度場整體分布如圖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, 因為空氣壓差的存在使氣流從噴口吹出, 高溫區(qū)也向上發(fā)展, 核心高溫區(qū)長度可達(dá)15 mm, 整個熱射流長度可達(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)行流動換熱, 熱量逐漸散失, 當(dāng)熱射流達(dá)到15 mm時, 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 速度場計算結(jié)果分析

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

圖14 速度場分布圖

圖15 噴口軸線速度分布圖

由速度場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.等離子熱射流的高速區(qū)集中在軸線附近, 因為空氣被電離加熱而膨脹, 并且周圍的冷空氣對熱射流產(chǎn)生了熱壓縮的效果.同時, 陽極采用的是收縮結(jié)構(gòu), 會對空氣產(chǎn)生壓縮效果, 使其流速在噴口內(nèi)增大, 且電弧在磁場中也受到磁場力和Lorentz力的影響, 空氣被電離后的速度也發(fā)生了改變.

通過噴口軸線速度分布圖可以看出, 空氣流速在入口處有一個小的波動, 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, 且見效的趨勢逐漸變慢, 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時也具有30 m/s的速度, 因此熱射流在到達(dá)燃燒室深處時也能夠保持一定剛度, 不易受到橫向來流的擾動, 從而保持一個較大的點(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極之間, 并且在陰極尖端及陽極邊緣出現(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, 說明電極在尖端放電形成等離子體, 因此陰極和陽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)過多時, 電極也會發(fā)生一定的燒蝕, 此時電極間隙就會增大, 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圖17.可以看出電極間隙對放電特性的影響很大, 當(dāng)電極間隙增大時, 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.溫度降低是因為隨著間隙增大, 空氣流通面積變大, 電極擊穿更難, 電弧長度變長使電流密度減小, 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呈下降趨勢; 速度增加是因為空氣流通面變大, 壁面對空氣流動的阻力減小, 使熱射流從噴口流出的速度變大, 同時熱射流速度增大, 則減少了在電極間停留的時間, 因此一定程度上也會減少空氣的吸熱量, 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.通過對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, 同時較低的溫度可以減少電極的燒蝕, 延長等離子點(diǎn)火器的壽命.綜上分析, 當(dāng)電極間隙為2.5 mm時, 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, 等離子熱射流的溫度相對較低, 且剛度更高, 等離子發(fā)生器的壽命相比于2.5 mm時更長.因此, 當(dāng)點(diǎn)火溫度要求為2 000 K 以上時, 電極間隙3 mm即可滿足要求, 當(dāng)點(diǎn)火溫度要求更高時, 則需要以犧牲電極壽命為代價來縮小電極間隙.

4 結(jié)論

(1)實驗結(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)實驗與數(shù)值模擬所得等離子熱射流形態(tài)的對比結(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)域變化趨勢不同, 且實驗所得熱射流會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)行計算; 電極材料參數(shù)也須根據(jù)真實使用的電極材料進(jìn)行設(shè)置; 同時層流流動模型可能無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情況, 后續(xù)模擬可以考慮使用描述復(fù)雜流動狀態(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, 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極兩個端點(diǎn), 因此這兩個端點(diǎn)也是最容易被燒蝕的部分.電極間隙的變化會影響等離子熱射流的速度和溫度, 須根據(jù)實際情況選擇最佳的電極間隙.