小功率电弧等离子体发动机实验数据采集系统

介绍了小功率电弧等离子体发动机的实验装置及数据采集系统 ,阐述其结构组成及工作过程 ,重点介绍了发动机工作推力、电流和电压的测量原理 ,并对数据采集系统的硬件配置、性能及软件的编制的原则、方法作了主要说明 ,给出典型实验所测结果 .测量结果准确反映了实验工作过程 .

新型环保绝缘介质CF_(3)SO_(2)F混合气体电弧等离子体输运参数计算与影响因素分析

绝缘气体输运参数计算对于其绝缘灭弧性能和其他宏观物性研究具有重要意义。首先基于最小吉布斯自由能方法,获得了CF_(3)SO_(2)F混合气体在300~30000 K温度下的粒子组分。在粒子组分的基础上,采用Chapman-Enskog方法求解Boltzmann方程,计算了0.01~1 MPa压强范围内CF_(3)SO_(2)F混合气体的输运系数(电导率、热导率和黏滞系数),重点考察了气压、混合比例和缓冲气体类别对CF_(3)SO_(2)F混合气体输运参数的影响。结果表明:增大气压会抑制气体解离和电离反应,延缓升温过程对输运系数的影响;增大CF_(3)SO_(2)F混合比例则会直接影响体系主要粒子的相对含量,进而使解离和电离反应的温度发生变化,导致低温区的电导率和中高温区的黏滞系数增大,中高温区的热导率减小;与前两者相比,气体混合类别对输运参数影响较小。此外,相比SF_(6),CF_(3)SO_(2)F混合气体具有更大的热导率和更小的黏滞系数,能够更有效地将焦耳热传递到电弧外从而避免弧后击穿。该研究不仅为CF_(3)SO_(2)F混合气体用于高压电气设备提供一定的指导,也为进一步评估其绝缘和灭弧能力及绝缘气体配置优化提供了必要的数据支撑。

面向球形金属粉末制备的电弧熔融等离子体雾化装置的设计

金属增材制造用高性能球形金属粉末的主流制备方法是雾化法,其中等离子体雾化法所制备粉末的性能相对更加优异,但其出粉速率较低。针对这一难题,将等离子体雾化法和丝材电弧喷涂技术结合,开发出了一套新型的电弧熔融等离子体雾化装置,旨在保留等离子体雾化法优势的基础上,提高出粉速率。之后开展了等离子体炬发生器性能测试实验,以及304不锈钢和纯钛丝材的雾化实验。实验结果表明,电弧熔融等离子体雾化法利用高温高速的等离子体炬对金属熔融液进行破碎,保证了粉末颗粒的过热度,使其有充分的球化和凝固时间。从粉末性能和出粉速率两方面对比分析了本技术和国外专利技术,证实了在粉末性能相同的前提下,本技术的出粉速率是国外专利技术的2~7倍。

表面电弧放电等离子体激励调控稳焰器的流动与燃烧

针对表面电弧放电等离子体激励对稳焰器的调控问题,对表面电弧放电唯象模型的适用性进行了验证,并分析了不同激励位置和激励强度对稳焰器流场结构、燃料雾化、点火延迟以及火焰稳定性的影响。研究结果显示,不同激励位置对流场结构产生显著影响,尤其在激励能量有效集中时,形成强烈的激励区域,导致回流区膨胀,进而促进燃料雾化,减缓点火延迟及提高平均火焰温度。同时,随着激励强度的增加,回流区长度、混合效率和燃烧效率呈线性增加。

C_(4)F_(7)N混合气体电弧等离子体热力学性质研究

C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体作为目前极具潜力的SF_(6)替代气体之一,在开断大容量短路电流中存在固体碳析出的问题。研究表明,向混合气体中加入O_(2)能够抑制固体碳的生成,也能有效增大灭弧室压力并提高气体的熄弧性能。为深入探究O_(2)对混合气体电弧能量耗散影响,在假设局部热力学平衡条件下,基于吉布斯自由能计算了不同O_(2)含量的C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体电弧等离子体粒子组分,并用标准的统计热物理的计算方法得到了不同混合比例气体的热力学性质,对比分析了不同O_(2)含量及压强对混合气体电弧等离子体热力学性质的影响。结果表明:O_(2)在低温区抑制了CO的生成,导致不同O_(2)含量的混合气体在热力学性质上有一定的差异;C_(4)F_(7)N混合气体的轴向热对流能力大于SF_(6),且在低温(大于8 kK)区与O_(2)浓度成正相关;温度小于5 kK时,C_(4)F_(7)N混合气体的径向热对流能力弱于SF_(6),且在低温(大于8 kK)区与O_(2)浓度成正相关。

小功率电弧等离子体发动机试验及性能分析

电弧等离子体发动机 (Arcjet)因其高比冲、高推力 功率比等特点成为当前国际上电火箭研究和应用的热点。介绍了小功率Arcjet实验研究系统的主要组成 ,分析了实验方案 ,对 4种不同结构尺寸的发动机进行了性能实验 ,给出初步的发动机工作性能参数及实验结果分析。实验结果表明小喷管喉径及氮作为推进剂的发动机性能较好。所得结论对小功率Arcjet发动机的优化设计具有参考价值。

小功率电弧等离子体发动机试验及性能研究

电推进技术已应用于航天的多个领域 ,电弧等离子体发动机 (Arcjet)因其高比冲、高推力 /功率比以及大的推进剂选择范围等特点成为当前国际上电火箭研究和应用的热点。文章总结小功率 Arcjet实验及性能研究 ,介绍了实验研究系统的主要组成 ,给出初步的发动机工作性能参数及实验结果分析。

小电流情形下塑壳断路器电弧等离子体安全特性研究

塑壳断路器(MCCB)作为电气设备和电力系统的安全保护装置,其品质好坏主要取决于灭弧性能。目前在电力系统中小电流情形下的短路故障日益增多,基于磁流体动力学理论建立触头旋转的电弧等离子体的运动仿真模型,模拟在小电流情形时电弧的熄灭演变过程,研究电弧在熄弧过程中温度场、压力场及电流密度分布的变化,以不同特征量分析灭弧室磁场强度、触头分断角速度对灭弧性能的影响。研究不同条件下电弧的运动特性,可以为断路器的结构设计和性能提升提供参考。

高压SF_(6)断路器零区电弧等离子体调控数值实验研究

为分析高压SF_(6)断路器零区电弧等离子体调控数值,以Eindhoven微观电弧模型为研究对象,探讨不同条件下电弧特性参数的变化。分别针对不同温度、压力及粒子碰撞之间的不同对电弧等离子调控数值进行分析,结果显示随着气压的升高热导率的峰值相应地被推迟到温度较高的区域才出现,并且峰值变小。非平衡态时热导率的变化趋势与平衡态相同,且随着θ的增大,热导率降低。

脉冲放电破岩等离子体通道长度预测方法

针对高压脉冲放电破岩电弧等离子体通道长度难以预测的问题,构建了高压脉冲放电破岩综合试验平台,测量了花岗岩-自来水组合介质下电弧等离子体通道发展特性及典型电流、电压参数,提取了不同电极间距和脉冲放电次数下岩石表面形成的破碎区域。基于能量平衡方程建立了岩石中电弧等离子体通道的阻抗模型,采用迭代优化算法获取阻抗模型参数的近似最优解,模型计算结果与试验结果的相对误差小于7%。基于优化参数,利用实测电流电压数据预测了等离子体通道的长度。模型预测的等离子体通道长度与实测值的绝对误差均处于毫米量级,且两者的相对误差小于10%,为高压脉冲放电破岩系统电源-电极负载的匹配设计提供了理论支撑。

10kW级氢电弧加热发动机非平衡等离子体流动过程的数值模拟

为对10kW级氢电弧加热发动机中的流动与传热过程进行热力学及化学非平衡数值模拟研究,采用的数学物理模型中引入重粒子和电子能量方程考察发动机喷管内等离子体流动的热力学非平衡特性;引入氢原子、氢离子组分方程,结合总体连续方程和适当的化学反应,考察发动机喷管内等离子体流动的化学非平衡特性;数值计算所需的热力学和输运性质在求解过程中按照当地条件参数计算;控制方程组采用基于Roe格式的数值方法进行离散求解。计算获得的发动机性能参数与文献报道结果相比合理符合。数值模拟结果表明,在发动机喷管内壁面,电子和重粒子的温度差远大于沿发动机轴线的二者之差,说明在发动机内壁面附近电子和重粒子偏离热平衡状况比较明显。通过对各种氢组分在发动机内分布及演化过程分析表明,在发动机出口等离子体流动处于化学非平衡状态。

特征信号图像测速法在超声速多组分等离子体射流中的应用

高速稀薄等离子体流场在航空航天领域有重要的应用.等离子体射流不同于常规的气体或液体的流动,其内部的电离状态、丰富的反应活性、多样的特征尺度、热平衡与非平衡共存等特点导致传统测速方法难以应用.特征信号图像测速法(SSIV)通过将羽流光强波动作为示踪信号来测量流体速度,从而拥有更好的流体跟随性和测量精度.利用低气压(约为100 Pa)直流电弧等离子体实验平台,文章基于特征信号图像测速方法,通过跟踪发生器输入功率周期变化引起的光强波动来测量纯氩以及氩-氦多组分两种工况下的羽流轴向平均速度分布.将中心波长为696.5 nm的窄带滤光片安装到光学镜头上,进一步获取两种工况下氩原子(ArI)单一谱线所对应的射流速度.结果分析表明,相同工况(电功率、气体质量流量及背景气压)下,氩-氦多组分等离子体的射流平均速度显著高于纯氩等离子体射流的平均速度.并且在氩-氦多组分等离子体的射流中,基于整体光强波动得到的射流速度要明显高于基于Ar I特征谱线获得的速度,表明SSIV方法不仅能够测量可压缩等离子体射流的平均速度,还具有分辨不同组分速度场的能力.研究结果展示了特征信号图像测速方法在复杂流场测量中的适用性和优势.

电弧加热发动机喷出等离子体静电单探针测量

应用静电单探针测量了kW级电弧加热发动机喷出等离子体参数分布。发动机以氮气为推进剂,测量范围为距离发动机喷口1.25～15cm,实验中真空舱压力为3～5Pa。实验获得了电子温度和电子数密度沿不同轴向位置和径向位置的变化规律,电子温度为0.4～0.8eV,电子数密度为1.2×1017～1.25×1018m-3。对比研究发现,N2为推进剂产生的等离子体的电子温度和电子数密度均大于N2-H2为推进剂的情况,但前者发散角较小。

电弧加热喷气发动机的新进展

电弧加热喷气发动机的新进展中科院空间科学与应用研究中心吴汉基电弧加热喷气发动机（以下简称Ａｒｃｊｅｔ）的发展，卅多年来经历了从开展、中止、恢复、热点到应用这样一个历程。一、从中止到恢复由于用高温电弧加热气体可以获得比化学反应高得多的温度，早在５０年代...

直流等离子体球化钨粉制备及其性能研究

直流电弧等离子体具有核心温度高、环境清洁等特点,且制备出的粉体球形度高、球化率高,成为增材制造用高质量粉体规模化生产的重要技术。以不规则钨粉为原料,采用直流电弧等离子体球化技术制备球形钨粉,研究不同送粉速率及送粉气流量对球化后粉末颗粒性能的影响,证明不规则钨粉球化过程中的3种转变机制,并在较大送粉气流量下,采用直流电弧等离子体球化技术原位合成了纳米颗粒附着的球形钨粉。采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、激光粒度仪、粉末流动性测试仪对球化后钨粉颗粒的形貌、物相、粒径分布、流动性及松装密度等进行分析表征。结果表明:经直流电弧等离子体球化后钨粉颗粒物相未发生变化,呈现出单一钨相,送粉速率为8 r·min^(-1)时,制备的钨粉颗粒表面光滑且球化率可达到98%以上,粒径分布相较于原料粉末变窄。球化后钨粉的流动性最高,达到5.35 s·50 g^(-1),相较原料钨粉减少了13.18 s;松装密度由5.37提高到11.67 g·cm^(-3),提高了117.3%。

氮氩直流电弧等离子体射流特性实验研究

基于自主研发的等离子体射流性能监测系统,文中通过实验研究了氮氩直流电弧等离子体射流特性:利用基于LabVIEW虚拟仪器技术的监测系统研究了不同氮氩混合比例下直流电弧等离子体射流的弧压、热效率及热焓值特性;利用CCD图像采集与MATLAB图像处理融合技术研究了不同氮氩混合比例下直流电弧等离子体射流长度特性;提出通过钨棒熔断时间表征等离子体射流相对温度的方法,并研究了不同氮氩混合比例下直流电弧等离子体射流在离喷出口5mm处的相对温度变化规律。实验结果表明:氮氩混合比例会对直流电弧等离子体射流特性产生明显影响,具体为直流电弧等离子体的弧压、热效率、热焓值、射流长度、喷口射流温度均随着氮气所占氮氩混合比例的增加呈现出先急剧增加后以某一恒定速率缓慢增加的现象。

镍铁矿热炉内电弧等离子体的数值模拟

电弧热是矿热炉内热量的主要来源,对镍铁矿热炉冶炼工艺过程中的炉内升温阶段极其重要。本文建立了直流矿热炉中电弧等离子体的三维数学模型,采用磁流体动力学方程组(MHD)和麦克斯韦方程组耦合求解了电弧等离子体的多物理场分布。通过对电弧的电磁场、温度场、速度场进行耦合求解,分析了电流大小对电弧等离子体的影响。结果表明:电弧等离子体呈“长钟形”,随着电流从30 kA增大到50 kA,电弧等离子体的高温核心区域增大,弧柱区域变粗,同时电弧的射流速度、温度呈非线性增长,传热效率有所提高。

非轴对称焊接电弧等离子体光谱诊断的研究现状

综述了非轴对称电弧光谱诊断的研究现状,概述了电弧等离子体的光谱诊断方法和三维温度场重建算法。分析了代数重建算法、最大似然期望最大化算法、总变分最小化凸集投影算法及其衍生算法的适用性和优缺点,展望了下一步重建算法的重点研究方向,为后续非轴对称焊接电弧等离子体光谱诊断提供理论基础和技术支撑。

直流电弧等离子体下共蒸发无定型TiO_(2)基纳米复合材料及储锂性能

零应变TiO_(2)由于结构稳定、安全无污染,以及循环过程中低的体积膨胀(≤4%),是一类极具潜力的锂电负极材料。但较低的理论比容量(335 mAh·g^(-1))和较小的锂离子扩散系数无法满足市场对高能量密度和快速充放电电池的需求,限制了其进一步的应用。本工作利用共蒸发混合原料(CuO+TiO_(2)粗粉)法,原位合成了核/壳型无定型二氧化钛(a.-TiO_(2))包覆的铜纳米粒子(Cu@a.-TiO_(2)NPs),通过后续热氧化处理将Cu核部分氧化为电化学活性的CuO中间包覆层,最终获得了Cu@CuO@a.-TiO_(2)纳米复合粒子(Cu@CuO@a.-TiO_(2)NCs)。结果表明,Cu@CuO@a.-TiO_(2)NCs电极的首周放电比容量为1936.1 mAh·g^(-1),200次循环后放电比容量保持在882.3 mAh·g^(-1),库伦效率为98.8%。无定型TiO_(2)壳层提供了快速的离子/电子渗透通道,促进锂离子扩散迁移,提高了电荷的传输效率;金属Cu核组元有利于提高电极整体电导率,氧化过程产生的空隙缓解了电化学活性CuO相的体积膨胀效应,从而提高了Cu@CuO@a.-TiO_(2)NCs电极整体的电化学性能。

直流电弧等离子体炬物理场的数值模拟研究

直流电弧等离子体炬内部温度较高,物理场情况复杂,较难进行实验研究,因此对等离子体炬内部物理场的研究一般采用基于磁流体动力学模型的数值模拟研究。以一种直流电弧等离子体炬为研究对象,在给定的电流大小以及工作气体流量条件下对其温度场、速度场等物理场进行了数值模拟研究,研究结果表明:在电流大小200 A、工作气体流量0.0014 kg/s的工作模式下,直流电弧等离子体炬射流在出口处中心温度可达到13000 K,出口最大流速可达到2400 m/s。高温等离子体的温度分布主要与电流密度的分布有关,其能量来源主要是电弧产生的焦耳热。台阶形的阳极结构主要对等离子体射流的流速产生影响。