直流电弧等离子炬温度场-电场分布特性数值模拟

由于热等离子体技术能源利用率高、工艺清洁且效果良好,在固体废弃物焚烧处理中已成为热点开发技术,其中,直流电弧等离子体是近年来放射性固废处理领域的重点研究技术。工业用等离子炬作为实现这一技术的核心装置,其内部温度极高、温度场与电磁场耦合,且实验测试困难,因此发生装置的开发和优化设计必须借助数值模拟手段。以直流非转移弧等离子炬为对象,基于Fluent软件用户自定义函数(user-defined function,UDF)与用户自定义标量(user-defined scalar,UDS)的二次开发功能,通过分析热等离子体的热力学特性,将数值模拟过程与工质气的物性参数(热力学系数、输运系数)、控制方程组源项变化及电极电流分布进行动态链接,建立了2维轴对称的磁流体动力学(magnetohydrodynamics,MHD)计算模型;并采用合理的边界条件,通过求解流体力学控制方程组与麦克斯韦方程组,得到了等离子炬内特征物理参数的分布规律。结果显示:阴极附近电位降显著,电流密度分布集中;层流条件下弧柱区温度分布均匀,中心温度为全流域最高,区域边缘温度梯度较大;阳极附近存在电流密集分布区域,可作为弧根位置预测依据。针对电弧在电极表面的附着现象,后续可继续进行电极-等离子体的耦合模型计算,以得到设备内壁面更加准确的温度分布。

汽轮机末级旋转不稳定性研究

基于汽轮机低压末级流动的非稳态数值计算结果,研究了低质量流量下低压末级流道发生的旋转不稳定现象。为了更好地了解在低流量下汽轮机运行的旋转不稳定性,采用低压末级整圈动静叶流道耦合排汽缸进行非稳态数值计算。发现末级动叶已经处于压气机状态并且流动的周向均匀性被破坏,以及在叶顶间隙泄漏流与主流的挤压下形成的泄漏涡撞击到毗邻叶片吸力面并发生溢出、形成二次泄漏流等情况。泄漏涡进一步影响叶片间叶顶前缘的压差分布,以长波的性质形成旋转不稳定。频谱分析捕捉到了旋转不稳定在绝对与相对坐标系下的旋转频率以及周向扰动个数。

耦合电极直流等离子体物理场数值模拟研究

针对等离子体发生装置的电极寿命,尤其是阴极寿命在很大程度上制约了该项技术的应用,以直流转移弧等离子体发生装置为对象,提出优化Fluent二次开发功能,将以往只能通过大量编程处理的计算模型做等效处理,并以此为基础建立了耦合电极的二维轴对称的磁流体动力学模型,包含一般流体控制方程组、Maxwell方程组与电子连续性方程等在内,计算得到各粒子数密度分布,修正了电导率分布规律,补充了自由燃烧电弧的电极-电弧之间的能量传递过程,最终得到较为合理的电极温度分布及流场分布,从而为工业用非转移弧发生装置的寿命预测工作提供了方法基础。