郭建超等：氩氢摩尔比对直流电弧等离子体喷射法等离子体放电特征影响的计算 1631· 2结果与讨论 Murphy A B 计算结果 2.1计算程序可靠性验证 本文计算结果 由于缺少光谱诊断等检测手段，为了验证氩一氢 等离子体热力学与输运性质参数及其等离子体数值模 拟计算程序的可靠性，检验方式如下：如图1所示，对 气压为101.3kPa,氩氢摩尔比为1：1（便于与文献数 据进行比对)条件下氩一氢等离子体物性参数进行相 关求解，并把获得的化学组分摩尔分数和电导率随温 度的变化数据与文献0]报道值进行比较.如图2所 示，利用计算获得的物性参数，并采用文献B1]中介 0654-3-210123456 r/mm 绍的等离子体数值模拟方法，对标压下氩一氢自由燃 图2 烧电弧进行建模求解并与文献中求解结果进行比较. 氯氢质量比为95：1和进气流量为10L·min1时200A, 5mm自由燃烧电弧主体部分温度分布 图中r表示径向距离，z表示轴向距离.通过对比可以 Fig.2 Isotherms calculated for a 200 A,5 mm are with a 10 L. 看出，本文所采用计算程序计算获得的相应条件下各 min-input flow composed of 5%hydrogen and 95%argon by mass 粒子摩尔分数和热导率等随温度变化规律及计算获得 的氩一氢自由燃烧电弧主体部分温度分布均与文献报 离子体热力学参数（密度、比焓和比定压热容）随温度 道结果符合较好 的变化情况.由图3可以看出氩氢摩尔比对等离子体 的密度、比焓、比定压热容等热力学参数影响较为明 0.8 ,本文计算结果 显.随氢气比例增多等离子体密度明显相对降低.比 Colombo计算结果 焓大幅上升的温度区间略微向低温段移动且增长幅度 逐渐相对增大.比定压热容的峰位温度区间无明显变 ---ArH,=3:1 H ArH,=2:1 ★★★★ 102 -·“ArH,-11 一--ArH,=12 0.2 Ar:H,=1:3 10- 0★★★★★★★★★★★★ 10 (b) 一本文计算结果 ★Colomboi计算结果 ArH,=3:1 ArH,=2:1 。 ArH.=1:1 ---ArH=12 ArH=1:3 6 Ar:H,=3:1 学 Ar:H,=2:I -·ArH=1:1 Ar:H,=1:2 5000 10000 15000 2000025000 30000 Ar:H,=1:3 温度K 图1气压为101.3kPa和氩氢摩尔比为1：1时氩-氢等离子体的 m 物性参数.(a)组分摩尔分数：()电导率 500 1000015000 2000 2500030000 Fig.1 Temperature dependence of physical parameters for a 50% 温度/K argon50%hydrogen mixture at atmospheric pressure:(a)mole 图3气压为8kPa、不同氩氢摩尔比下等离子体体系的热力学性 fraction:(b)electrical conductivity 质随温度变化.(a)密度：(b)比焓：(c)比定压热容 Fig.3 Temperature dependence of the thermodynamic properties of 2.2氩氢摩尔比对氩一氢等离子体热力学与输运性 the argon-hydrogen mixture at different argon-o-hydrogen mole ratios 质参数的影响 and a pressure of 8 kPa:(a)density:(b)total specific enthalpy: 图3给出气压为8kPa、不同氩氢摩尔比条件下等 (c)total specific heat郭建超等: 氩氢摩尔比对直流电弧等离子体喷射法等离子体放电特征影响的计算 2 结果与讨论 2. 1 计算程序可靠性验证 由于缺少光谱诊断等检测手段，为了验证氩--氢 等离子体热力学与输运性质参数及其等离子体数值模 拟计算程序的可靠性，检验方式如下: 如图 1 所示，对 气压为 101. 3 kPa，氩氢摩尔比为 1∶ 1 ( 便于与文献数 据进行比对) 条件下氩--氢等离子体物性参数进行相 关求解，并把获得的化学组分摩尔分数和电导率随温 度的变化数据与文献［10］报道值进行比较． 如图 2 所 示，利用计算获得的物性参数，并采用文献［31］中介 绍的等离子体数值模拟方法，对标压下氩--氢自由燃 烧电弧进行建模求解并与文献中求解结果进行比较． 图中 r 表示径向距离，z 表示轴向距离． 通过对比可以 看出，本文所采用计算程序计算获得的相应条件下各 粒子摩尔分数和热导率等随温度变化规律及计算获得 的氩--氢自由燃烧电弧主体部分温度分布均与文献报 道结果符合较好． 图 1 气压为 101. 3 kPa 和氩氢摩尔比为 1∶ 1时氩--氢等离子体的 物性参数． ( a) 组分摩尔分数; ( b) 电导率 Fig． 1 Temperature dependence of physical parameters for a 50% argon--50% hydrogen mixture at atmospheric pressure: ( a ) mole fraction; ( b) electrical conductivity 2. 2 氩氢摩尔比对氩--氢等离子体热力学与输运性 质参数的影响 图 3 给出气压为 8 kPa、不同氩氢摩尔比条件下等 图 2 氩氢质量比为 95 ∶ 1和进气流量为 10 L·min － 1 时 200 A、 5 mm自由燃烧电弧主体部分温度分布 Fig． 2 Isotherms calculated for a 200 A，5 mm arc with a 10 L· min － 1 input flow composed of 5% hydrogen and 95% argon by mass 离子体热力学参数( 密度、比焓和比定压热容) 随温度 的变化情况． 由图 3 可以看出氩氢摩尔比对等离子体 的密度、比焓、比定压热容等热力学参数影响较为明 图 3 气压为 8 kPa、不同氩氢摩尔比下等离子体体系的热力学性 质随温度变化． ( a) 密度; ( b) 比焓; ( c) 比定压热容 Fig． 3 Temperature dependence of the thermodynamic properties of the argon--hydrogen mixture at different argon-to-hydrogen mole ratios and a pressure of 8 kPa: ( a) density; ( b) total specific enthalpy; ( c) total specific heat 显． 随氢气比例增多等离子体密度明显相对降低． 比 焓大幅上升的温度区间略微向低温段移动且增长幅度 逐渐相对增大． 比定压热容的峰位温度区间无明显变 ·1631·