电弧等离子体具有高温和高化学活性特点,广泛应用于热喷涂、冶金、机械加工、材料制备、高亮光源等工业领域。数值模拟是研究电弧等离子体的一种重要手段。在数值计算中,电弧与鞘层的耦合研究一直是热等离子体建模和分析的难点,主要原因是电弧和鞘层问题涉及的物理过程、时间尺度、平衡程度有较大差别,目前的数值和理论方法难以耦合处理。针对电弧等离子体数值模拟研究缺少一种将阴极固体、鞘层纳入考虑的模型的现状,本文基于之前的数值模拟发展了一种耦合电极固体、近电极区和弧柱等离子体的物理数学模型。在预鞘层-电弧交界面电弧侧引入热扰动层以便将鞘层、预鞘层的一纬解析模型和典型的双温电弧模型耦合。在本文模型中,阴极表面考虑了对电子热发射电流的肖特基修正。经过鞘层加速的电子流会给弧柱中的等离子体带来大量的能量。这部分能量的一部分又通过碰撞传递给了重粒子。本文使用双温度耦合鞘层模型进行的数值模拟内容及结果如下:1.计算了两个与文献实验条件对应的算例。算例一为阴极尖端锥角为60度的自由氩气电弧放电。阴极和阳极的间距为5mm,总电流为100A～300A。计算结果表明本模型预测的阴极固体表面温度及弧柱区温度与实验测得值吻合的较好。算例二为圆头棒状阴极自由电弧放电,阴极和阳极的间距10mm,总电流为20-200A。结果显示本模型得到的放电电压与实验测得值差距在2V以内。2.对同轴电极磁旋转氩气电弧放电进行了二维轴对称模拟:管状阳极弧室直径20mm,阴极棒直径5mm,轴向磁场0.01～0.03T。计算结果显示:(a)存在两种放电模式:点模式放电时阴极表面温度极大值出现在阴极端面圆心;对于扩散模式放电,阴极端面温度分布平缓,极值出现在阴极端面边缘。(b)计算所得的阴极表面温度与实验测量进行了对比:扩散模式下二者吻合得较好;点模式下,实验测得值非轴对称而计算值则为轴对称,需要更进一步的三维数值模拟来验证。(c)数值计算表明随着磁场增大,电弧阴极弧根电流密度分布曲线有明显的收缩趋势。(d)近阴极层的电压降,点模式下比扩散模式略低1.4V,但是弧柱电压降在点模式(9.98V)比扩散模式(4.68V)要大很多。(e)等离子体在外加磁场作用下显著地轴向收缩而在径向上却扩展。电弧截面呈现出旗帜状外形。在点模式放电下,电弧等离子体在阴极前端附近比扩散模式更加收缩,因而也具有更高的等离子体电子温度和重粒子温度。3.对电极间距为5mm的氩气自由电弧进行了模拟,电流范围50～600A。结果显示出:(a)热发射电子起着冷却阴极表面的作用,然而轰击阴极表面的离子流及背向扩散的电子流却起着加热阴极的作用;(b)在50A～400A电流范围内,预鞘层和热扰动层交界处,由弧柱等离子体重粒子和电子热传导带来的能量输运与阴极表面加热流的数量级相当,而解耦合模型假设重粒子和电子热传导不会影响近阴极层;(c)点模式下,近阴极层的电压降随电流增大,其二维分布特性越来越明显;(d)与解耦合模型大不相同,同样电流下点模式下的近阴极区电势降比扩散模式小。本文采用热力学平衡电弧模型进行的数值模拟内容及结果如下:1.使用无鞘层的耦合模型研究了轴向磁场对自由电弧放电(电流200A,轴向磁场0～0.02T)的影响。结果显示(a)轴向磁场作用下,阴极弧根会向其中心收缩。(b)与固定阴极弧根的计算结果对比显示,收缩的弧根会使等离子体的离心流动更加显著,造成阳极壁面前的空心区域增大。(c)靠近阴极部分的弧柱在弧根收缩的情况下比固定弧根的结果更加收缩,在阴极尖端附近产生了更高的等离子体温度。(d)与固定阴极弧根的计算对比可知,收缩的阴极弧根使电弧总电压和阳极总加热提高了。2.对双射流电弧(电极间距99mm,电极射流夹角90度,电流500A)进行了三维稳态模拟。结果显示:(a)阴极射流和阳极射流都有排斥性的弯曲,弯曲的程度是电弧所受洛伦兹力带来的引力和斥力平衡的结果。(b)阴极等离子体射流和阳极等离子体射流的总动量基本相同,它们交汇后,沿着与阴极轴线、阳极轴线呈45度夹角的方向继续向出口流去。(c)阴极射流和阳极射流交汇的“瓶颈区”对周围气体有卷吸入作用,可以再次“加速”射流,提高气体的总动量。