阳极-近阳极区-弧柱耦合作用对阳极弧根形态的影响

The anode root's behaviors are the outcome of combined action of arc column's flow and heat - transfer condition and anode condition. This project plans to investigate the influence of the interaction of anode - anode boundary layer - arc column on the anode arc root's behaviors by the means of numerical simulation and experimental methods. This project will develop an anode boundary layer model, including ionized layer and sheath layer. By analyzing the energy exchange and electron / ion density change in the ionized layer and sheath layer, the boundary conditions of the arc column - ionized layer and the anode - sheath layer are obtained, so as to form the coupled anode - anode boundary layer - arc column model. Based on the coupling model, the numerical simulation of the anode boundary layer is carried out. Combined with the experimental diagnosis, the effects of parameters such as arc current, gas flow rate and anode surface condition on the physical properties of the anode boundary layer are investigated. The relationship between the electron / ion distribution on the anode surface and the above parameters is investigated. Then the control method of the anode root's behaviors is discussed. The project study will deepen our understanding of the anode root's behaviors, and promote the application of related technologies.

阳极弧根形态是弧柱等离子体的流动传热状态与阳极状况耦合作用的结果。本项目通过数值模拟和实验研究，开展阳极-近阳极区-弧柱的耦合作用对阳极弧根形态影响的研究。研究内容包括：发展合适的近阳极区（阳极鞘层、电离层）模型，通过分析电离层和鞘层内的能量交换、电子/离子密度变化等，得到弧柱-电离层、阳极-鞘层的耦合边界条件，联立弧柱和阳极求解，形成耦合阳极-近阳极区-弧柱的电弧模型；基于阳极-近阳极区-弧柱耦合模型，对近阳极区开展系统的数值模拟研究，结合实验诊断，考察电弧电流、气体流量、阳极表面状况等参数对近阳极区特性的影响机制，重点分析阳极鞘层与阳极表面间的电子/离子分布规律与上述参数之间的关联，探讨阳极弧根形态的控制方法。本项目将加深我们对阳极弧根形态演化规律的认识，促进相关技术的发展。

阳极弧根形态是阳极-近阳极区-弧柱耦合作用的结果，既与弧柱的流动传热状态相关，又涉及与阳极壁面间的能量输运过程。本项目通过数值模拟和实验研究，开展阳极-近阳极区-弧柱的耦合作用对阳极弧根形态影响的研究,主要研究成果包括：（1）通过分析鞘层内的能量交换、电子/离子密度变化规律，建立了耦合阳极-近阳极区-弧柱的电弧模型，成功模拟了阳极弧根收缩模式（负阳极鞘层）和扩散模式（正阳极鞘层），揭示了弧柱、近阳极区和阳极之间的能量输运过程；（2）将耦合模型思想推广到整个电弧区域，发展了阴极-阴极鞘层-弧柱-阳极鞘层-阳极全域耦合的数值模型，其中弧柱模型采用Stefan-Maxwell方程，得到了等离子体组分的扩散通量和广义欧姆定律下的电流密度，适用于任意电离程度的等离子体弧柱；（3）设计实验专用磁旋转电弧和自由电弧等离子体发生器，发展了适用于阴极、阳极弧根参数诊断的CCD高速摄像实验平台；（4）系统研究了磁旋转电弧阳极、阴极弧根收缩-扩散模式的演化过程，结合数值仿真，揭示了弧根形态和弧柱形态互相影响机制；（5）将发展的磁旋转电弧等离子体发生器应用于碳纳米材料制备，实现石墨烯、氮掺杂石墨烯、石墨颗粒等多种纳米碳的可控合成，其中石墨烯能耗低至0.4kWh/g，具备低成本大规模连续生产的潜力，相关工作得到了科技日报、基金委官网等平台的广泛报道，受到业界的关注。.在本课题资助下，申请人以第一/通讯作者发表相关SCI论文18篇（基金第一标注12篇），申报发明专利1项，参加国内外学术会议4次，共同指导2名硕士研究生和2名博士研究生毕业，后续研究工作也得到了基金委面上项目的资助，超额完成了项目的预期目标。