中等功率直流电弧等离子体发生器设计测试及磁控技术研究

作     者：赵星霖 

作者单位：上海交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王平阳

授予年度：2021年

学科分类：07[理学] 070204[理学-等离子体物理] 0702[理学-物理学] 

主      题：电弧等离子体 设计准则 FLUENT二次开发 磁控技术 

摘      要：随着世界经济的不断发展,中国现已成为全球第二大经济体。伴随着经济增长的是废弃物产量的剧增。在新冠疫情席卷全球的背景下,对医疗废弃物的快速高效处理成为了急需解决的难题。为更好的响应政策需求,一种新型的等离子体技术逐渐走入大众的视野中。等离子体废弃物处理由于其高能量密度、高温、无污染的特点,越来越体现出在医疗废弃物处理的优越性。等离子电弧发生器(炬)为处理系统主体设备。但目前国内外学者或机构对电弧等离子体发生器的研究中,研究主体大多为大功率或极小功率条件。对于中等功率下的直流电弧等离子体发生器国内的研究仍较少,其工作特性仍不明朗。还未有较为系统的设计方案以实现技术转化。此外受制于等离子体电弧发生器高能量密度所带来的电极严重烧蚀等问题仍需进一步探索解决方案。本文通过自建设计理论,对发生器内部工作过程开展了深入研究与分析,比较了不同设计方式的优劣。通过大量文献中的工程经验数据对结构开展初步设计。从避免分流现象产生的原理出发,推导并提出了中间连接结构的设计准则。整体结构采用较为灵活的多级式结构,相比传统两极式结构具有很强的优越性。冷却采用一体化水冷方式,在降低电极壁面烧蚀同时减少结构的复杂性。为探究电弧等离子体发生器内部射流流动与换热特性,为点火测试实验提供理论指导,提出了一种基于FLUENT二次开发的计算方法,使用合理假设简化计算流程,减少资源的消耗。采用补偿压降计算方法,通过文献对比验证了计算方法的正确性。对设计发生器进行了数值模拟计算,获得内部流动换热特性,验证了设计的合理性。本文搭建了点火测试实验系统用以探究设计电弧发生器的实际性能表现。在空载电压350V,恒定输出电流为110A,气体流量为9-10L/min条件下成功实现点火,并有稳定射流从阳极喷出。伏安特性曲线呈现负阻特性。射流长度随气流量变化呈现出倒U形。通过实验数据,采用相似原理对发生器内部过程进行数学推导,提出用于计算伏安特性的实验关联式,在设计功率为13.2KW-21.168KW间具有很高的适用精度。对长寿命技术展开了探究,通过数值计算与实验的方式研究磁控技术对电极寿命的影响。实验表明阳极在外加磁场的作用下,烧蚀率降低了约14%。