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直流电弧等离子体发生器的数值模拟及电子束离子阱物理研究

袁行球  
【摘要】:本论文共分两部分。 直流电弧等离子体发生器作为一种高效而且干净的热源,被广泛地用于切割、焊接、喷涂、冶金、化工和废物处理等工业领域,以及材料、航空航天的科学领域。对这种等离子体发生器的物理过程研究和数值模拟有助于我们更好地优化和设计出适合各种运用场合的等离子体炬。在论文第一部分,我们详细地讨论了等离子体炬内的物理过程,对描述等离子体流体的磁流体力学(MHD)理论及其数值计算方法进行了详细地介绍,以计算机数值模拟为手段对PRAXAIR公司的SG-100系列中的几种典型等离子体发生器及其产生的等离子体射流进行了较为系统地研究。研究了二维以及三维等离子体流动情形,等离子体射流喷射到不同环境气体情形,超声速等离子体流动情形,以及不同的阳极形状的等离子体发生器(标准阳极形状、收缩-发散型阳极形状以及阶梯型阳极形状)内部的等离子体流动特性。数值模拟覆盖非常宽的参数范围及运用领域。其中在三维等离子体发生器的数值模拟方面,我们结合Scott的简化阳极模型提出了假定阳极壁面电导率分布的方法有效地抑止了数值发散,得到有效地合理地数值解,理论预言和实验结果相当吻合。对等离子体炬进行参数研究发现,尽管增加等离子体电流和增加等离子体进气量都会增加等离子体炬的输入功率,但是两者所起到的作用完全不同,此外,通过比较不同阳极形状的等离子体炬内部等离子体流动特性发现,不同的阳极形状的等离子体发生器可以产生不同特性的等离子体射流,而且在等离子体炬内部,湍流对等离子体流体的影响也有着很大的不同,研究表明湍流的影响和阴极下游附近的阳极尺度相关,阴极下游附近的阳极尺度越大,湍流的影响也越大。 电子束离子阱(EBIT)用磁场中高度压缩的高能电子束来电离离子(原子)以获得高价态离子,它可以产生元素周期表中任何元素任何价态的离子,并且能够在EBIT中的强磁场和静电势阱中约束足够长的时间。在论文第二部分,我们详细讨论了Penetrate所提出的用来描述高价态离子在电子束离子阱中演化的物理模型,并在Penetrate所提出的物理模型基础上做了部分修正,修正后的物理模型考虑了漂移管的几何位形、电离加热以及电子束的空间电荷累积的影 直流电弧等离子体发生器的数值模拟及电子束离子阱物理研究 响,利用修正后的物理模型,对高价态离子在EBI下中演化过程进行详细地数值 模拟。研究了不同轴向势阱深度、电子束电流强度以及本地气体密度对平衡时高 价态离子相对丰度的影响。并且对LLNL实验的高价态氢离子在E曰丁中随时间 演化过程的模拟,理论计算和实验结果吻合的很好。


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