三阴极高温等离子体电弧和射流形成及与粒子耦合的综合研究

多电极热等离子体射流具有火焰长、稳定性高等优点。对多电极等离子射流形成与稳定性、粒子与高温超音速射流相互作用的机理研究不足。本课题拟以数值模拟为主结合有限的实验，对三阴极等离子体喷涂过程中的热物理问题进行研究。对等离子枪与电极复杂结构、确定电弧形成的磁电势和等离子体射流的主要特征如温度速度空间分布的非均匀性，建立基于多区域自适应网格生成能精确模拟等离子体电弧和射流等高梯度变化区的软件平台，研究描述粒子在超音速高温射流中加速、传热传质、相变的原理及粒子流体互相作用的模拟方法，实现多电极等离子体喷涂过程包括电弧、射流、粒子相互作用的一体化多尺度模拟仿真。揭示三阴极等离子体射流三角激波结构形成的机理、射流从低速到超音速的转变条件、射流与微尺度粒子的微尺度传热传质、粒子穿透激波并保持在射流核心中的判据。实现多电极直流等离子体喷涂复杂物理过程的一体化模拟仿真，为相关学科基础和应用研究提供有效工具。

本课题以数值模拟为主要研究手段，对三阴极等离子体喷涂过程中的热物理问题进行系统研究，包括研究三阴极等离子射流形成与稳定性，以及描述粒子与高温高速等离子射流相互作用的机理。建立了描述等离子火焰生成和射流形成的理论和数值模型，描述等离子弧和射流形成的物理模型包括Maxwell 电磁场方程、可压缩多相反应流的控制方程；基于多区域自生成网格，建立可模拟复杂电极和喷枪几何结构的数值模型包括数值模拟程序ME-PlasmaJet。使用ME-PlasmaJet对单阴极和三阴极直流等离子弧和射流进行模拟，通过模拟单阴极等离子喷枪不同阴极尖端形状的情况，揭示了阴极形状对等离子弧和射流的影响；通过模拟三阴极等离子喷枪，揭示了三阴极高温高速等离子射流三角结构的形成机理，并对三阴极等离子射流形成和演变随喷枪内结构、操作工况变化的相互关系开展系统性研究。同时建立了粒子在复杂气流（亚音和超音速、多相反应流）中的运动、蒸发、凝固等传热传质输运的理论和数值模型及数值模拟程序Lava-P-3d，基于界面重构思想，发展了适用于光滑粒子动力学方法的表面张力模型，模拟热喷涂条件下熔滴与机体的相互作用，最终实现了多电极等离子体喷涂过程一体化模拟，为相关学科基础和应用研究提供有效工具。