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中国工程热物理学会 燃烧学
学术会议论文 编号:094041
等离子体电弧炉内流动与传热数值模拟
邓晶 李要建 田君国 王蕊 徐永香 盛宏至
中国科学院力学研究所,北京,100190
TEL:010 Email:dengjing@imech.ac.cn
摘要:本文采用磁流体力学(MHD )模型对直流等离子体电弧炉内部的流动和传热进行了数值模拟。
通过对使用磁矢量势描述的电磁场方程组和流体力学方程组的耦合迭代计算,求解得到了流体温度场
和速度场,结果清晰地反映了等离子体电弧的高温阴极射流现象。模拟结果对于电弧炉的工业应用非
常有意义。
关键词:等离子体 电弧 数值模拟 阴极射流
0 前言
等离子体技术被广泛应用于危险有机废弃物的裂解以及含有重金属或放射性元素
的无机废弃物的玻璃化,即PP/V (Plasma Pyrolysis/ Vitrification )技术。在等离子体电
弧炉内,温度分布和速度分布对于有害元素的质量传输有重要影响,并且直接决定了危
险废弃物的摧毁效率。由于等离子体炉内的高温和电磁辐射条件,对于炉内核心区域流
场和温度场的直接测量难以实现,因此使用数值模拟方法就成为了一种必然的选择。磁
流体力学(MHD)方法是一种模拟等离子体电弧的流动与传热的有效方法。
在磁流体力学模型中,等离子体被视为一种导电的流体,其电导率随着温度变化。
以氩气为例,当温度在3000K 以下时,其导电率为0 ;而当温度从5000K 升高到10000K
时,其电导率从1.03 S/m 升高到2730 S/m,这反映气体随着温度升高而逐步电离成为
等离子体的过程。此外,等离子体的密度、比热、速度和热导率都是温度的函数。通过
对于电磁场方程组和流体力学方程组的耦合迭代计算,可以求解得到炉内流体的速度和
温度分布。
传统的等离子体电弧模拟通常采用磁感应强度B 来描述磁场[1],[2] ,而在本工作中,
作者采用了磁矢量势A 取代磁感应强度B 来描述磁场。通过这样的创新,可以方便的
采用流体力学计算软件FLUENT 的UDS 方法[3] ,进行编程二次开发,对电磁场方程组
进行求解。
1 氩气等离子体电弧的数值模拟
1.1 假设条件
模型中所使用的假设包括:
(1)流场的流动为轴对称、定常、层流的
(2)在电弧区域采用局部热平衡假设
(3)等离子体是光学薄的
基金项目:国家自然科学基金项目(No.、国家863 计划项目(No. 2003AA644040)
(4)等离子体的密度、比热、速度、粘性、热导率和电导率都仅为温度的函数
(5)忽略重力和粘性耗散
1.2 控制方程和计算方法
在定常和轴对称条件下,描述电弧等离子体的磁流体力学(MHD)方程组如下所示(其
中,角码r 和z 分别表示径向和轴向,方框标注的项是与等离子体相关的特殊动量和能
量源项):
质量方程:
1 ∂ ∂
rρv + ρv (1)
( r ) ( z ) 0
r ∂r ∂z
径向动量方程:
1 ∂ ∂ ∂ 1 ∂ ∂v
2 P r
ρ + ρ =− + µ (2)
(r v ) ( v v ) (2r )
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