局域热力学平衡态空气电弧等离子体输运参数计算研究

空气电弧等离子体的物性参数为空气电弧放电过程的仿真提供了可靠的微观理论基础和参数输入．假定体系处于局域热力学平衡态，基于Chapman-Enskog理论，采用Sonine多项式三级展开（对黏滞系数采用二级展开）得到的输运参数表达式，数值计算得到了不同气压条件下（0．1atm-20atm，1atm=1=01325×10^5Pa）、不同温度范围内（300-30000K）空气电弧等离子体的输运参数（扩散系数、黏滞系数、热导率、电导率）．与以往的理论研究相比，最新的相互作用势和碰撞截面研究成果被应用到涉及粒子的碰撞积分计算中，提高了输运参数计算结果的精度和可靠性．

氪等离子体热力学非平衡输运性质的计算

获得覆盖较宽温度和压力范围内的热力学和输运性质是进行氪等离子体传热和流动过程研究的必要输入条件。为此,采用双温度Saha方程进行计算得到了氪等离子体的组分;采用基于将Chapman-Enskog方法扩展到高阶近似的方法,计算获得了电子温度(Te)与重粒子温度(Th)比范围为1～4、电子温度范围为300～30 000K、压力范围从0.01p0～10p0(p0=101.325kPa)的氪等离子体的粘性、热导率和电导率。研究结果表明,热力学非平衡参数(θ=Te/Th)和压力对氪等离子体的输运性质有较大的影响。随着压力的降低和热力学非平衡程度的增加,氪等离子体的粘性降低;偏离热力学非平衡的程度对热导率的峰值有显著影响,压力越大,高温区域的平动热导率就越大;高温区,电导率随着压力的升高而增大,在低温区,电导率随着压力的降低而增大。在局域热力学平衡条件下,计算获得的氪等离子体输运性质和文献报道的数据符合良好。

氩-碳-硅等离子体热力学性质和输运系数计算

计算了广温度范围(300—30000 K)和广压力范围(0.1—10 atm,1 atm=101.325 k Pa)下,不同混合物比例、碳和硅蒸气浓度的局域热力学平衡(LTE)和化学平衡(LCE)的氩-碳-硅等离子体组分、热力学性质和输运系数.等离子体气相平衡组分使用质量作用定律计算,同时凝聚相组分采用相平衡的方法计算.输运系数的计算包括黏度、电导率和热导率,使用拓展到高阶近似的Chapman-Enskog方法.采用文献中较新的数据得到了较为准确的碰撞积分,导出了Ar-C-Si等离子体的输运系数.结果表明,在相变温度以下,凝聚态物种的引入导致Ar-C-Si等离子体的热力学性质、输运系数与纯Ar等离子体接近,在相变温度点则会产生不连续点.压力、碳/硅蒸气浓度和比例对等离子体热力学性质和输运系数具有较大影响.最终计算值与文献数据对比符合良好,有望为氩-碳-硅等离子体传热流动数值模拟提供基础数据.

双温度氩-氮等离子体热力学和输运性质计算

获得覆盖较宽温度和压力范围内的等离子体热力学和输运性质是开展等离子体传热和流动过程数值模拟的必要条件.本文通过联立Saha方程、道尔顿分压定律以及电荷准中性条件求解等离子体组分;采用理想气体动力学理论计算等离子体热力学性质;基于Chapman-Enskog方法求解等离子体输运性质.利用上述方法计算了压力为0.1, 1.0和10.0 atm (1 atm=101325 Pa),电子温度在300—30000 K范围内,非局域热力学平衡(电子温度不等于重粒子温度)条件下氩-氮等离子体的热力学和输运性质.结果表明压力和非平衡度会影响等离子体中各化学反应过程,从而对氩-氮等离子体的热力学及输运性质有较大的影响.在局域热力学平衡条件下,计算获得的氩-氮等离子体输运性质和文献报道的数据符合良好.

非平衡大气辐射强度与透过率的Line-By-Line计算模式

导出了非局域热力学平衡（ＮＬＴＥ）大气辐射强度与透过率的基本公式，以及ＮＬＴ和ＬＴＥ的线强、光学厚度和透过率的关系。假设转动能级是热力学平衡（ＬＴＥ）的，建立了一个精确的ＬｉｎｅｂｙＬｉｎｅＮＬＴＥ辐射强度与透过率的有效算法来计算较高层行星大气红外活跃样品的辐射强度。计算了地球大气１６Ｏ３９６μｍ带在白天、夜晚和ＮＬＴＥ、ＬＴＥ条件下的临边光谱辐射强度、线积分辐射强度、带积分辐射强度和合成光谱辐射强度，揭示了ＮＬＴＥ辐射强度对ＬＴＥ辐射强度有显著而重要的偏离。

大气压直流氩等离子体光谱诊断研究

通过光谱诊断系统测量了大气压直流氩等离子体射流在弧室内和弧室出口的发射光谱,利用波尔兹曼曲线斜率法计算了射流的电子温度,根据ArⅠ谱线的斯塔克展宽得到射流的电子密度,并对氩等离子体射流满足局域热力学平衡(LTE)状态的判定标准进行了分析,结果表明在文章的实验条件下大气压直流氩等离子体射流达到局域热力学平衡。

超音速等离子喷涂的射流特性

采用非局域热力学平衡条件,考虑等离子喷涂过程中的电离及复合反应,研究超音速等离子喷涂过程中的流场特性。结果表明,氩氢混合气体中氢气的体积分数为15%时,喷枪内部的最大速度达到3 200 m/s,最高温度达到18 000 K。采用氩氢混合气体比纯氩情况下的速度和温度都有所提高。等离子体的最大速度随电流增大而增大,最高温度在470 A出现拐点,当电流大于470 A时,气流温度开始升高。加入粉末后,气流速度增大。流场速度随载气量增大而减小。氩氢混合气体中氢气的最佳含量为体积分数15%。

低功率电弧加热发动机内流动、传热与传质的数值计算

为了获得电弧加热发动机内部流动、传热与传质的一些基本规律,采用基于局域热力学平衡假定的物理模型,对不同气体、工况和发动机进行了研究。结果表明,电弧加热发动机内的气体在约束通道内由亚声速加速到超声速,轴向速度在约束通道出口下游附近达到最大值,然后随着轴向距离的增加速度逐渐降低;电弧加热发动机内气体加热主要发生在阴极下游以及约束段附近,最高温度出现在阴极尖下游;在喷管的扩张段,由于气动膨胀作用以及焦耳热的影响逐渐降低,气体温度逐渐下降。

大气压直流氩等离子体射流工作特性研究

介绍了一种新型大气压直流双阳极等离子喷枪,并对其电特性参数和发射光谱进行了测量.通过对氩等离子体射流的电信号进行时域和频域分析,研究了载气流量和弧电流的变化对射流脉动的影响,结果表明氩等离子体电弧的伏安特性呈上升趋势,射流脉动属于接管模式,电源特性中的交流分量引起的电压波动是影响氩等离子体射流脉动的主要因素.通过光谱法测量了氩等离子体射流在弧室内和弧室出口的发射光谱,利用玻尔兹曼曲线斜率法计算了射流的激发温度,根据ArI谱线的斯塔克展宽得到了射流的电子密度,并对等离子体射流满足局域热力学平衡(LTE)状态的判定标准进行了分析,在本实验条件下大气压直流氩等离子体射流达到了局域热力学平衡.

基于激光诱导击穿光谱技术的铝合金成分定量分析

利用Nd:YAG激光器输出的532nm激光束对位于空气中的标准变形铝合金样品进行烧蚀产生了激光诱导等离子体.对测量的230—440nm波长范围的光谱进行了谱线标定,同时基于自由定标方法对样品成分进行了定量分析,确定了样品中的元素含量.分析结果与标准值具有较好的一致性.

数值模拟辐射场对激光等离子体中物理过程的影响

利用研究非局域热力学平衡态下等离子体的程序包NIMP ,就辐射场对等离子体中的激发和离化过程的影响进行了数值模拟研究 。

基于激光诱导击穿光谱技术的条斑紫菜元素探测研究

实验应用激光诱导击穿光谱技术(LIBS)对近海海水中的条斑紫菜进行元素探测。条斑紫菜的光谱表明紫菜中含有Ca、Mg、Mn、Fe、K、P、Na、Zn、Cu、Sr、Si、O、C等元素。为讨论将条斑紫菜作为重金属污染标记物来反映近海海水受污染程度的可行性,制备了4种不同浓度的铅溶液来模拟受污染的近海海水,并将新鲜的条斑紫菜样品浸泡在溶液中。利用LIBS得到这些被污染紫菜的光谱后,采用内标法对其进行定量分析,通过拟合得到校正曲线。为确认定量工作的准确性,计算了实验中等离子体温度和电子数密度,并验证了实验环境满足局域热力学平衡状态。对条斑紫菜光谱中观察到的碳氮(CN)分子带进行了模拟,获得CN分子的两个重要参数,即振动温度和转动温度。最后比较并简要讨论了振动温度、转动温度和等离子体温度。结果验证了LIBS应用于近海污水检测领域的可行性。