热等离子体射流产生与特性的实验研究.pdf

中国工程热物理学会 传热传质学 第十一届学术会议 编号：053037 热等离子体射流产生与特性的实验研究。 潘文霞1孟显‘陈熙2吴承康 中图科学院力学研究所，北京100080：2清华大学工程力学系．北京100084) Tel．010E-mail：wxpan@imech．ac．cn 蔫翼本文报道热等离予体射流产生及射流特性的实验研究结果。采用同一个直流等离子体发生器， 工作气体流量小时产生出层流等离子体长射流，射流匠度随气体流量或弧电流的增加硐11Jj显增加；工 作气体流量大时则产生出湍流等离子体短射流，此时射流长度几乎与工作气体流量或弧电流无关；在 层流与湍流等离了体射流工况之间，存在一个流动状况币稳定的过渡区，此时等离子体射流的、r均艮 度随气流量的加大而减小，但随弧电流的加大而明显加大。层流等离子体睦射流自相当好的刚性。 关t词：热等离子体．射流产生；层流射流：湍流射流；实验研究 1引言 4 温度约10K的热等离子体己广泛应用于航天航空、材料加工、机械自N-／2、化二『j、 冶金、废弃物处理等各个领域。在工业应用中所遇到的热等离子体大多以湍流等离子体 射流的形式出现。湍流等离子体射流存在脉动大、噪声强、对环境气体卷吸多，等离子 体参数轴向梯度大等缺点，从而使其应用限制于一些对过程重复性与可控性要求不是太 高的场合。正是由于这个原因，在一些应用场合，如对于航空燃气轮机叶片热障涂层制 备，由于湍流等离子体喷涂所产生的涂层质量不尽如人意，一些大航空发动机公司投入 巨资与人力，研究用电子束一物理气相沉积等其它办法来取代等离子体喷涂。 近年来，采用专门设计的直流电弧等离子体发生器成功地产生出层流等离子体长射 流”一，被认为是一项重要的研究进展。和通常的湍流等离子体射流相比，层流等离子 体长射流具有流动稳定，噪声低，对环境气体的卷吸少从而射流的高温区长、等离子体 参数的轴向梯度小等优点，为改进材料加工过程的重复性与加工质量，提供了可能。将 层流等离子体长射流用于热障涂层的制备、铸铁表面熔凝硬化处理及不锈钢表面熔覆的 初步实验研究表明，采用层流等离子体长射流的确能取得较好的效果…。 目前已发表了大量研究湍流等离子体射流产生与特性的文章，也发表了若干研究层 流等离子体长射流产生与特性的文章，但还没有对湍流和层流等离子体射流的产生与射 流特性进行过系统性的对比研究。由于本文实验中所采用的等离子体发生器可以同时产 国家自然科学基金资助项目(No50276065) 1483 生出湍流和层流等离子体射流，为开展上述系统性的对比研究提供了可能。本文报道相 关的实验研究结果。 2实验 本文实验研究中所采用的直流非转移型电弧等离子体发生器与文献fI]中所用的 类似。即在发生器的阴极与阳极之间加入一个带中心通孔的中间插入什；等离子体形成 气体(氩)一部分从阴极根部周围轴向与切向供入，另一部分则在中间插入件的F游切向 供入发生器。从侧面对水平喷射的等离子体射流进行照相，读取照片上可见的射流K度 作为等离子体射流的长度。实验中曾改变中间插入件中心通孔的直径和采用两个ji同的 整流型直流电源(最大输出功率分别为20和50kw)进行试验，以检验发生器结构和 电源对等离子体射流的产生与射流特性的影响。还曾从侧面通过载气携带向所产生的层 流等离子体射流喷注粒径小于30um的氧化铝粉，以研究侧向喷射的原材料颗粒和载气 对层流等离子体射流特性有怎样的影响。 3实验结果与分析 图1给出了一组有关热等离子体射流的产生与射流特性的典型的实验结果。该图纵 坐标的弧电流和横坐标的氩质量流量，是在实验过程中可以加以调节的产生等离子体射 流的两个基本工作参数。图中的数字代表观测到的等离子体射流的可见区的长度，以 mm为单位。图l的实验结果表明，该发生器可以产生出不同流动状态的等离子体射流， 即层流射流、湍流射流和处于二者之间的过渡态射流。图l上以两条直线作为临界条件 来分开这三个不同的射流流动区域，即虚线的左边为层流区，实线的右边为湍流区，虚 实线之间为过渡区。这