一種等離子體發生器的模擬方法技術

本發明專利技術提供一種等離子體發生器的模擬方法，包括：步驟S1，在ANSYS軟件中對等離子體發生器進行三維建模；步驟S2，對所述建立的模型進行網格劃分；步驟S3，設置所述模型的材料和邊界條件；步驟S4，對所述模型加載磁流體力學MHD模塊；步驟S5，初始化流場；步驟S6，選擇求解器、速度場壓力場耦合方式及空間離散格式；步驟S7，通過模擬計算，獲得等離子體發生器在運行期間的各種場數據。本發明專利技術克服了現有等離子體發生器的物理過程研究及實驗過程的諸多困難，對發生器的電場、磁場、熱力場、流場進行全面和準確的建模分析，提供了等離子體發生器工業應用中亟需的分析方法，可以成為等離子體發生器開發的重要手段。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及電磁流體模擬計算
，尤其涉及一種等離子體發生器的模擬方 法。
技術介紹
對等離子體發生器內的物理過程的研究有助于更好地控制和利用等離子體發生 器。由于等離子體發生器內部存在著電磁場、電極過程、導電流體以及傳熱傳質之間的復雜 相互作用，對其內部等離子體物理過程的研究非常困難。同時，由于等離子體發生器內部空 間狹小，采用實驗手段測量其內部的溫度、速度分布以及電弧弧根位置等也同樣非常困難。
技術實現思路
本專利技術所要解決的技術問題在于，提供，能夠對 等離子體發生器的電場、磁場、熱力場、流場進行全面和準確的建模分析，成為等離子體發 生器開發的重要手段。 為了解決上述技術問題，本專利技術提供，包括： 步驟Sl，在ANSYS軟件中對等離子體發生器進行三維建模； 步驟S2,對所述建立的模型進行網格劃分； 步驟S3,設置所述模型的材料和邊界條件； 步驟S4,對所述模型加載磁流體力學MHD模塊； 步驟S5,初始化流場； 步驟S6,選擇求解器、速度場壓力場耦合方式及空間離散格式； 步驟S7，通過模擬計算，獲得等離子體發生器在運行期間的各種場數據。 其中，所述步驟Sl建立的等離子發生器模型中，陰極和三個陽極均由循環水冷 卻，工作時，首先在陰極和第一陽極間通過高電壓擊穿，使周圍氣體電離，最終電弧穩定維 持在陰極和第三陽極之間，工作氣體從三個進氣口注入，被電弧加熱后從第三陽極噴出形 成等離子體射流。 其中，所述步驟S2具體包括： 在第一進氣口、第二進氣口和第一陽極的區域劃分為四面體網格，其余部分均劃分為 六面體網格；在壁面附近采用棱柱網格加密；所述各網格質量均大于0. 3。 其中，在數值模型中增加延伸段網格，以減少出口邊界條件對第三陽極出口的影 響。 其中，所述步驟S3具體包括： 常溫純氮氣分別從所述三個進氣口注入，其中所述三個進氣口的進孔尺寸、個數、中心 圓圈直徑、進氣方向、半徑夾角、體積流量參數輸入到邊界條件中；水冷壁面水溫和對流換 熱系數參數輸入到計算邊界條件中；假設陰極上電流密度分布沿半徑變化的函數并編程輸 入邊界條件中。 其中，所述步驟S3具體包括： 將等離子體的物性隨溫度變化的數據編制表格，導入到Fluent的材料庫中。 其中，所述步驟S4中所述MHD模塊通過命令行激活。 其中，所述步驟S4中采用電勢法，通過在流體力學控制方程中添加附加的源項實 現親合。 其中，所述步驟S4還包括： 在所述MHD模塊中選擇求解器方程和包含焦耳熱的求解器方程，求解器控制中選擇速 度場壓力場耦合方式，空間離散格式均采用二階迎風格式，同時選擇高階項松弛以幫助收 斂。 其中，所述步驟S5具體包括： 在起初的迭代中關閉電磁方程，只求解流體和能量方程，等計算穩定后，再打開電磁方 程繼續求解。 其中，所述步驟S6中，所述求解器選擇壓力基求解器，所述速度場壓力場耦合方 式選擇SMPLE，所述空間離散格式選擇二階迎風格式。 本專利技術實施例的有益效果在于，克服了現有等離子體發生器的物理過程研究及實 驗過程的諸多困難，采用數值模擬方法，以一種經濟、有效的技術手段，對等離子體發生器 的物理過程進行數值模擬，對發生器的電場、磁場、熱力場、流場進行全面和準確的建模分 析，提供了等離子體發生器工業應用中亟需的分析方法，可以成為等離子體發生器開發的 重要手段。【附圖說明】 為了更清楚地說明本專利技術實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現 有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 專利技術的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以 根據這些附圖獲得其他的附圖。 圖1是本專利技術實施例的流程示意圖。 圖2是本專利技術實施例中等離子體發生器的數值模型示意圖。 圖3是本專利技術實施例中獲得的流場的溫度示意圖。 圖4是本專利技術實施例中獲得的流場的電流密度示意圖。【具體實施方式】 以下各實施例的說明是參考附圖，用以示例本專利技術可以用以實施的特定實施例。 本專利技術采用數值模擬方法，基于ANSYS軟件(是由美國ANSYS公司開發的一種融 結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件)，對發生器的電場、磁 場、熱力場、流場進行全面和準確的建模分析，可以成為等離子體發生器開發的重要手段。 請參照圖1所示，本專利技術實施例提供，包括： 步驟Sl，在ANSYS軟件中對等離子體發生器進行三維建模； 步驟S2,對所述建立的模型進行網格劃分； 步驟S3,設置所述模型的材料和邊界條件； 步驟S4,對所述模型加載磁流體力學MHD模塊； 步驟S5,初始化流場； 步驟S6,選擇求解器、速度場壓力場耦合方式及空間離散格式； 步驟S7，通過模擬計算，獲得等離子體發生器在運行期間的各種場數據。 以下對各步驟分別進行詳細說明。 步驟Sl中，對于簡單的幾何模型，可以在ANSYS DM模塊或ICEM模塊中完成。復 雜模型可通過UG\Catia等CAD建模后導出。為了節省網格數量，對計算分析結果影響不大 的幾何細節可以適度簡化。 請結合圖2所示，等離子發生器的陰極和三個陽極(第一陽極1、第二陽極2、第三 陽極3)均由循環水冷卻。工作時，首先在陰極和第一陽極1間通過高電壓擊穿，使周圍氣 體電離(簡稱起弧階段)，最終電弧穩定維持在陰極和第三陽極3之間。工作氣體從三個進 氣口（第一進氣口 1、第二進氣口 2和第三進氣口 3)注入，被電弧加熱后從第三陽極3噴出 形成等離子體射流。 步驟S2的網格劃分是在ANSYS前處理工具中完成。具體的，在第一進氣口 1、第二 進氣口 2和第一陽極1的區域劃分為四面體網格，其余部分均劃分為六面體網格。在壁面 附近采用棱柱網格加密，以更好的捕捉邊界層的效應。網格質量均大于0.3。另外，在數值 模型中增加了延伸段網格，以減少出口邊界條件對第三陽極3出口的影響。 步驟S3中，等離子體發生器工作時，常溫純氮氣（T=300K，P=0. 5MPa)分別從三個 進氣口 1、2、3注入，其中進氣口 1、2、3的進孔尺寸、個數、中心圓圈直徑、進氣方向、半徑夾 角、體積流量等參數輸入到邊界條件中。水冷壁面水溫和對流換熱系數等參數輸入到邊界 條件中。假設陰極上電流密度分布沿半徑變化的函數并編程輸入邊界條件中。 由于電弧等離子體的特殊性，它的輻射既包括連續譜也包括包含成百上千條譜線 的線性譜，并且等離子體的成分也是非常復雜的，這種頻率分布和成分的復雜性使得熱輻 射的精確計算在現階段是不可能的。通常，電弧輻射散熱的處理是用一個所謂的"凈輻射系 數"NEC (Net Emission Coefficient)來近似進行的。大多數的弧柱熱福射位于紫外線頻 率范圍內，而這種頻率的熱輻射通常認為被電弧邊界內的等離子體成分所吸收，為了模擬 電弧的這種特性，采用在電弧邊界處取凈輻射系數為一負系數的方法。而且在本專利技術實施 例中，認為電弧熱輻射邊界為溫度8000K處，在溫度低于8000K時，熱輻射就不再是重要的 熱損失機制，此時凈輻射系數取為零。 本專利技術實施例的純氮氣等離子體凈輻射系數NEC的實驗數據取自文獻 《Calculation of net emission coefficient in N2 SF6 and SF6本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種等離子體發生器的模擬方法，包括：步驟S1，在ANSYS軟件中對等離子體發生器進行三維建模；步驟S2，對所述建立的模型進行網格劃分；步驟S3，設置所述模型的材料和邊界條件；步驟S4，對所述模型加載磁流體力學MHD模塊；步驟S5，初始化流場；步驟S6，選擇求解器、速度場壓力場耦合方式及空間離散格式；步驟S7，通過模擬計算，獲得等離子體發生器在運行期間的各種場數據。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：呂永紅，陸杰，陳明周，劉夏杰，林鵬，白冰，周東升，
申請(專利權)人：中科華核電技術研究院有限公司，中國廣核集團有限公司，中國廣核電力股份有限公司，
類型：發明
國別省市：廣東;44