耦合電極直流等離子體物理場數值模擬研究

武劭恂, 司徒達志, 張子煒, 李 晴, 黃衛星

(1. 四川大學 化學工程學院, 四川 成都 610065; 2. 中國廣核集團中廣核研究院有限公司, 廣東 深圳 518124)

1 引 言

國內近幾年對固體垃圾問題，包括高危固體廢棄物的重視，使探索出一種高效、清潔的處理方法變得日益重要。而等離子體技術具有能源利用率高、處理效果突出的特點，能夠滿足這一需求。目前在國外該技術已應用到包括城市生活、醫院衛生、工業廢置等諸多領域[1-2]。而該技術在應用中卻存在一個問題，即由于等離子體溫度高于電極金屬的熔點，導致設備壽命減小，工作效率降低[3]。所以發展一種簡便可靠的耦合電極-電弧的研究方法則成為關鍵。

由于等離子體發生裝置尺寸小、結構復雜，在實驗或生產操作中難以對其電極狀態進行觀測。除此之外，其具有的高溫-電磁相互耦合的特點更使得數據測量工作難以進行。因此，數值模擬計算成為解決該問題的主要研究方法[4-6]。但同時，由于人們更多關注等離子體主體內的物理場分布，而忽略了電極本身熱電子發射機制帶來的熱效應，因此在傳統計算結果中對于電極溫度的計算需要改進。有鑒于此，且考慮轉移弧與非轉移弧發生原理相似，因此本文針對自由燃燒電弧等離子體，將電極與電弧區耦合建立二維軸對稱的磁流體動力學 (magnetohydrodynamic, MHD) 計算模型，并通過合理的設計方法，通過求解電子連續方程與附加面熱源將電弧對電極的熱效應、流體域的電導率修正包含在內，得到了與實驗測量相近的溫度場分布。……