颗粒群对电弧伏安特性的影响

"The influence of particles on arc Voltage-Ampere characteristics" results from synthetic action of multi-factors of interaction between thermal plasma and particles. The researches focuse on “the influence of particles on arc Voltage-Ampere characteristics” by using experiment combined with theory analysis and numerical simulation: (a) the confined effects of arc column radially expanding by particles’ radiation-absorption characteristics, and flow and heat transferring characteristics; (b) the effects of heat absorption on plasma parameters during particles’ temperature arising; (c) the influence of particles vaporization on the thermodynamic and transport properties of plasma, plasma parameters and the flow of plasma; (d) how these factors achieve the effects on arc Electric field-Current characteristics, relationship to gas-particle properties and injection parameters; (e) moreover, the characteristics of the particles during its temperature increasing in the arc axial location are also analyzed. As a result, the manifold influence of particles on arc Voltage-Ampere characteristics can been obtained. This study will help us to understand the influence of particles on V-I characteristics of in arc torch and the relationship between the major injection particle parameters and arc Voltage-Ampere characteristics. Meanwhile, the underlying mechanisms would be investigated, so as to serve as references of industrial design for high-power coal plasma torch.

“颗粒群对电弧伏安特性的影响”是“等离子体与颗粒的相互作用”诸多因素综合作用的结果。以实验结合理论分析和数值计算的方法，对煤粉等离子体炬中稳态电弧的“颗粒群对电弧伏安特性的影响”问题开展初步研究。研究内容包括：颗粒群的辐射-吸收特性对电弧径向传热的作用、气体-颗粒两相流的流动传热特性对电弧的通道径向扩张的约束作用，颗粒群升温过程中吸热对等离子体参数影响，颗粒群的气化对等离子体热力学与输运性质、等离子体参数和等离子体流动的影响，分析计算这些影响因素对电弧电场-电流特性的影响以及与气体-颗粒的性质、注入参数之间的关系，分析颗粒群在电弧中轴向位置升温特点，综合得到颗粒群对电弧伏安特性的影响。通过研究，理解颗粒群影响电弧等离子体炬中电弧电场-电流特性的机制，掌握注入颗粒的主要条件参数与电弧伏安特性的基本关系，为大功率煤粉等离子体炬的工业化设计提供参考依据。

颗粒加热是电弧等离子体应用的一个重要方面，将颗粒注入电弧是提高加热效率的有效方法。其中热等离子体与颗粒相互作用对电弧特性有着重要影响。本项目采用数值模拟方法并结合实验验证，研究了颗粒群注入电弧等离子体炬中对电弧特性影响的结果和机制，计算了Ar-C、He-C混合物等离子体的热力学和输运性质及Ar-N混合物双温等离子体的热力学和输运性质，分析碳蒸汽对Ar、He等离子体性质的影响；计算分析颗粒群辐射-吸收特性、颗粒吸热、等离子体性质改变以及颗粒注入方式、颗粒注入量等对电弧特性的影响。主要结果如下：①C蒸汽显著提高了Ar等离子体焓值、比热、热导率，电导率也有所增加，降低氩等离子体的粘性；C蒸汽显著降低了氦等离子体的粘性，大幅度提高了低于18000K区域等离子体的电导率，在低于15000K区域也提高等离子体焓值、比热，除了在5000K附近热导率有所提高外，其他区域总体热导率都有所降低。②C颗粒影响电弧特性的主要因素是颗粒吸热、C蒸汽改变等离子体热物性与输运性质。在弧柱内，通过传热和颗粒吸热降低等离子体温度从而降低等离子体电导率；在弧柱外通过传热和颗粒吸热压缩冷却电弧，减小电弧尺寸，提高弧柱电流密度；两者共同作用显著提高电弧电场强度，从而提高电弧电压。随着颗粒注入量的增加，Ar电弧电压单调上升，He电弧电压先下降再上升。③颗粒群的辐射-吸收特性对电弧特性影响较小，但可以降低弧柱对壁面的辐射传热。④颗粒群与等离子体的动量耦合对等离子体速度分布有一定影响；合适的颗粒注入方式有利于增强颗粒对电弧特性的影响。研究结果可为颗粒注入电弧等离子体炬的应用设计提供参考依据。本项目还开展了电弧等离子体热解烃类化合物制备石墨烯和纳米碳材料的研究。