[发明专利]一种等离子体发生器的模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及电磁流体模拟计算技术领域，尤其涉及一种等离子体发生器的模拟方法。

背景技术

对等离子体发生器内的物理过程的研究有助于更好地控制和利用等离子体发生器。由于等离子体发生器内部存在着电磁场、电极过程、导电流体以及传热传质之间的复杂相互作用，对其内部等离子体物理过程的研究非常困难。同时，由于等离子体发生器内部空间狭小，采用实验手段测量其内部的温度、速度分布以及电弧弧根位置等也同样非常困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种等离子体发生器的模拟方法，能够对等离子体发生器的电场、磁场、热力场、流场进行全面和准确的建模分析，成为等离子体发生器开发的重要手段。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种等离子体发生器的模拟方法，包括：

步骤S1，在ANSYS软件中对等离子体发生器进行三维建模；

步骤S2，对所述建立的模型进行网格划分；

步骤S3，设置所述模型的材料和边界条件；

步骤S4，对所述模型加载磁流体力学MHD模块；

步骤S5，初始化流场；

步骤S6，选择求解器、速度场压力场耦合方式及空间离散格式；

步骤S7，通过模拟计算，获得等离子体发生器在运行期间的各种场数据。

其中，所述步骤S1建立的等离子发生器模型中，阴极和三个阳极均由循环水冷却，工作时，首先在阴极和第一阳极间通过高电压击穿，使周围气体电离，最终电弧稳定维持在阴极和第三阳极之间，工作气体从三个进气口注入，被电弧加热后从第三阳极喷出形成等离子体射流。

其中，所述步骤S2具体包括：

在第一进气口、第二进气口和第一阳极的区域划分为四面体网格，其余部分均划分为六面体网格；在壁面附近采用棱柱网格加密；所述各网格质量均大于0.3。

其中，在数值模型中增加延伸段网格，以减少出口边界条件对第三阳极出口的影响。

其中，所述步骤S3具体包括：

常温纯氮气分别从所述三个进气口注入，其中所述三个进气口的进孔尺寸、个数、中心圆圈直径、进气方向、半径夹角、体积流量参数输入到边界条件中；水冷壁面水温和对流换热系数参数输入到计算边界条件中；假设阴极上电流密度分布沿半径变化的函数并编程输入边界条件中。

其中，所述步骤S3具体包括：

将等离子体的物性随温度变化的数据编制表格，导入到Fluent的材料库中。

其中，所述步骤S4中所述MHD模块通过命令行激活。

其中，所述步骤S4中采用电势法，通过在流体力学控制方程中添加附加的源项实现耦合。

其中，所述步骤S4还包括：

在所述MHD模块中选择求解器方程和包含焦耳热的求解器方程，求解器控制中选择速度场压力场耦合方式，空间离散格式均采用二阶迎风格式，同时选择高阶项松弛以帮助收敛。

其中，所述步骤S5具体包括：

在起初的迭代中关闭电磁方程，只求解流体和能量方程，等计算稳定后，再打开电磁方程继续求解。

其中，所述步骤S6中，所述求解器选择压力基求解器，所述速度场压力场耦合方式选择SIMPLE，所述空间离散格式选择二阶迎风格式。

本发明实施例的有益效果在于，克服了现有等离子体发生器的物理过程研究及实验过程的诸多困难，采用数值模拟方法，以一种经济、有效的技术手段，对等离子体发生器的物理过程进行数值模拟，对发生器的电场、磁场、热力场、流场进行全面和准确的建模分析，提供了等离子体发生器工业应用中亟需的分析方法，可以成为等离子体发生器开发的重要手段。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一种等离子体发生器的模拟方法的流程示意图。

图2是本发明实施例中等离子体发生器的数值模型示意图。

图3是本发明实施例中获得的流场的温度示意图。

图4是本发明实施例中获得的流场的电流密度示意图。

具体实施方式

以下各实施例的说明是参考附图，用以示例本发明可以用以实施的特定实施例。