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直流电弧等离子炬温度场-电场分布特性数值模拟

         
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摘要

由于热等离子体技术能源利用率高、工艺清洁且效果良好,在固体废弃物焚烧处理中已成为热点开发技术,其中,直流电弧等离子体是近年来放射性固废处理领域的重点研究技术。工业用等离子炬作为实现这一技术的核心装置,其内部温度极高、温度场与电磁场耦合,且实验测试困难,因此发生装置的开发和优化设计必须借助数值模拟手段。以直流非转移弧等离子炬为对象,基于Fluent软件用户自定义函数(user-defined function,UDF)与用户自定义标量(user-defined scalar,UDS)的二次开发功能,通过分析热等离子体的热力学特性,将数值模拟过程与工质气的物性参数(热力学系数、输运系数)、控制方程组源项变化及电极电流分布进行动态链接,建立了2维轴对称的磁流体动力学(magnetohydrodynamics,MHD)计算模型;并采用合理的边界条件,通过求解流体力学控制方程组与麦克斯韦方程组,得到了等离子炬内特征物理参数的分布规律。结果显示:阴极附近电位降显著,电流密度分布集中;层流条件下弧柱区温度分布均匀,中心温度为全流域最高,区域边缘温度梯度较大;阳极附近存在电流密集分布区域,可作为弧根位置预测依据。针对电弧在电极表面的附着现象,后续可继续进行电极-等离子体的耦合模型计算,以得到设备内壁面更加准确的温度分布。

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