带滞止面的直流电弧热等离子体发生器与反应器特性研究

论文摘要

本论文以热等离子体纳米材料合成及固体有害废弃物(如医疗垃圾)处理为研究背景,采用数值模拟和实验研究的方法,对直流电弧热等离子体发生器(反应器)内的传热与流动特性进行了二维数值模拟研究和初步的实验研究,得到了一些新的研究结果。本文采用二维数值模拟和实验测量手段研究了有反向载气注入条件下的热等离子体反应器内的传热与流动特性。数值模拟结果表明,等离子体发生器的输入功率、工作气体流量、反向载气流量及温度、反向载气喷管出口与发生器阳极喷嘴出口间的距离以及等离子体射流或反向载气的旋流流动等参数均会对等离子体反应器内气体的温度与速度分布,特别是对在发生器阳极喷嘴出口与反向载气喷管出口间的空间区域所形成的滞止层的位置,产生明显的影响。有关反向载气流量对反应器内滞止平面位置影响的实验观察结果与数值模拟结果定性一致。对于具有双锥形电极结构的直流电弧热等离子体发生器特性的研究,在本论文初步的数值模拟和实验研究中,均假定发生器阴、阳极几何轴线间的夹角为180°。二维数值模拟结果表明,由于气体放电所形成的相向运动的阴、阳极电弧射流间的相互作用,在两电极间某一空间区域会形成一滞止层。在其他参数保持不变的情况下,随着弧电流的增加,由于Maecker效应增强,该滞止层的位置会向阳极一侧移动,且滞止层附近的气体温度亦随之升高;而随着电极间距的增大,发生器弧电压升高,但滞止层附近的气体温度则降低。本论文实验观察到的放电图像与数值模拟结果定性一致。在今后的研究中,将深入进行有关上述直流电弧热等离子体发生器(反应器)内二维/三维、非平衡传热与流动特性的数值模拟和实验研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 热等离子体及其工业应用
• 1.2 热等离子体合成微纳米颗粒研究文献综述
• 1.3 热等离子体处理医疗垃圾研究文献综述
• 1.4 论文主要研究工作及各章主要内容
• 1.4.1 论文主要研究工作
• 1.4.2 论文各章主要内容
• 第2章 基于SIMPLE 算法的数值计算程序简介及实验平台的搭建
• 2.1 SIMPLE-2D 程序简介
• 2.2 热等离子体实验平台的搭建
• 2.2.1 配气系统
• 2.2.2 等离子体发生器
• 2.2.3 真空系统
• 2.2.4 直流电源系统
• 2.2.5 测量系统
• 2.2.6 水冷系统
• 2.2.7 实验装置整体结构示意图
• 第3章 有反向载气注入条件下的热等离子体反应器特性的二维数值模拟研究
• 3.1 物理-数学模型描述
• 3.1.1 基本假定
• 3.1.2 基本控制方程
• 3.1.3 计算域及边界条件
• 3.1.4 数值计算方法
• 3.2 数值模拟结果及讨论
• 3.2.1 不考虑旋流效应时典型的计算结果
• 3.2.2 发生器输入功率对反应器内传热与流动特性的影响
• 3.2.3 反向载气喷管出口与发生器阳极出口间距离对反应器内传热与流动特性的影响
• 3.2.4 旋流效应对反应器内传热与流动特性的影响
• 3.3 本章小结
• 第4章 具有双锥形电极结构的热等离子体发生器特性的二维数值模拟研究
• 4.1 物理-数学模型描述
• 4.1.1 基本假定
• 4.1.2 基本控制方程
• 4.1.3 计算域及边界条件
• 4.1.4 数值计算方法
• 4.2 数值模拟结果及讨论
• 4.2.1 典型的数值模拟结果
• 4.2.2 弧电流和电极间距的影响
• 4.3 本章小结
• 第5章 热等离子体发生器（反应器）内热特性与电特性的实验研究
• 5.1 反向载气注入下热等离子体反应器特性的实验研究
• 5.1.1 实验装置与工作条件
• 5.1.2 实验结果与讨论
• 5.2 具有双锥形电极结构的热等离子体发生器特性的实验研究
• 5.2.1 实验装置与工作条件
• 5.2.2 实验结果与讨论
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论
• 6.1 本论文主要研究工作总结
• 6.2 研究工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果