大功率直流电弧等离子体炬的实验研究和精细等离子体切割炬的数值模拟

论文摘要

热等离子体的温度在1000K～20000K之间,处于局部热力学平衡的状态,具有高温、高焓、高能量密度、高活性的特点,已经在机械加工、冶金、材料、化工和环保等领域得到广泛应用。随着热等离子体物理机制的不断清晰和我国经济健康快速的发展,热等离子体在越来越多的工业领域得到更新的应用,如5MW氢等离子体炬裂解煤制乙炔工业装置已经达到连续稳定运行10小时之久,基本达到工业投产的规模,在我国开展新能源利用的道路中做出了开拓性贡献。在制造多晶硅的原料三氯氢硅的过程中会有大量的剧毒物质四氯化硅产生,用氢等离子体炬加热四氯化硅,利用氢等离子体中高活性的氢离子将四氯化硅还原成三氯氢硅,实现变废为宝的目的,对环境保护和能源再利用有积极的科学和社会意义。本论文对600KW氢等离子体炬及电源系统的制造、设计、安装调试及放电数据做了详细的研究分析,做出了一般性的结论,给出了系统的改进意见和氢等离子体炬点炬的实验理论指导。氢等离子体气氛中SiC14转化成SiHC13的过程是个复杂的物理化学过程,会产生很多中间产物,用化学平衡的方法计算模拟各反应物与生成物随温度的变化趋势对实际操作具有现实指导意义。本论文介绍了化学平衡理论计算的理论原理并计算了多种实验条件下各生成物和反应物随温度的变化情况,对实验提供了一定的理论指导。等离子体切割技术在钢材切割领域占有重要的作用,20世纪90年代在普通等离子体切割技术的基础上发展了精细等离子体切割技术,使切割能力更强,切割精度更高,切割速度更快。但公开发表的文献中大多针对精细等离子体切割炬的切割质量进行了实验性研究,而从数值模拟上还没有对精细等离子体切割炬采用双进气电极结构的物理机制进行系统的研究,精细等离子体切割炬的尺寸和操作量对等离子体切割炬输出射流的影响也很少有文献进行系统的研究。本论文用计算流体力学（CFD）软件Fluent6.3对精细等离子体切割炬的内部物理过程和输出射流的物理参量进行了系统的研究比较,对工程应用提供了理论指导和建议。本论文的主要工作如下:1.对600KW氢等离子体炬及电源系统的制造、设计、安装调试及放电数据做了详细的研究分析,做出了一般性的结论,给出了系统的改进意见和氢等离子体炬点炬的实验理论指导。2.介绍了化学平衡计算的理论原理,计算了多种实验条件下氢等离子体气氛中SiC14转化成SiHC13的反应中,各生成物和反应物随温度的变化情况,对实验提供了一定的理论指导。3.用计算流体力学（CFD）软件Fluent6.3,在低雷诺数RNG k-ε湍流模型下,对精细等离子体切割炬的内部物理过程和输出射流的物理参量做二维数值模拟计算,根据计算结果做了系统的研究比较,对工程应用提供了理论指导和建议。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 热等离子体与电弧放电
• 1.2 电弧等离子体炬的分类及特点
• 1.3 电弧稳定工作对电源伏安特性的要求
• 第二章 600KW非转型恒流直流氢等离子体炬及其电源的设计
• 2.1 工业应用背景
• 2.2 600KW直流恒流氢等离子体炬电源的设计
• 2.3 600KW氢等离子体炬在热解SiCl4制SiHCl3工业应用中的调试流程及部分实验结果
• 2.4 本章总结
• 第三章 氢等离子体与SiCl4的热等离子体化学反应数值计算
• 3.1 概述
• 3.2 化学平衡计算方法和化学动力学计算方法的介绍
• 3.3 氢等离子体还原SiCl4制SiHCl3的模拟计算
• 3.4 本章总结
• 第四章 精细空气等离子体切割炬的fluent数值计算
• 4.1 引言
• 4.2 磁流体力学理论及其数值计算方法
• 4.3 FLUENT程序介绍
• 4.4 100A双进气空气精细等离子体切割炬的数值计算模拟
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢