CN105160117A - 一种等离子体发生器的模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种等离子体发生器的模拟方法，包括：步骤S1，在ANSYS软件中对等离子体发生器进行三维建模；步骤S2，对所述建立的模型进行网格划分；步骤S3，设置所述模型的材料和边界条件；步骤S4，对所述模型加载磁流体力学MHD模块；步骤S5，初始化流场；步骤S6，选择求解器、速度场压力场耦合方式及空间离散格式；步骤S7，通过模拟计算，获得等离子体发生器在运行期间的各种场数据。本发明克服了现有等离子体发生器的物理过程研究及实验过程的诸多困难，对发生器的电场、磁场、热力场、流场进行全面和准确的建模分析，提供了等离子体发生器工业应用中亟需的分析方法，可以成为等离子体发生器开发的重要手段。

Description

一种等离子体发生器的模拟方法

技术领域

本发明涉及电磁流体模拟计算技术领域，尤其涉及一种等离子体发生器的模拟方法。

背景技术

对等离子体发生器内的物理过程的研究有助于更好地控制和利用等离子体发生器。由于等离子体发生器内部存在着电磁场、电极过程、导电流体以及传热传质之间的复杂相互作用，对其内部等离子体物理过程的研究非常困难。同时，由于等离子体发生器内部空间狭小，采用实验手段测量其内部的温度、速度分布以及电弧弧根位置等也同样非常困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种等离子体发生器的模拟方法，能够对等离子体发生器的电场、磁场、热力场、流场进行全面和准确的建模分析，成为等离子体发生器开发的重要手段。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种等离子体发生器的模拟方法，包括：

步骤S1，在ANSYS软件中对等离子体发生器进行三维建模；

步骤S2，对所述建立的模型进行网格划分；

步骤S3，设置所述模型的材料和边界条件；

步骤S4，对所述模型加载磁流体力学MHD模块；

步骤S5，初始化流场；

步骤S6，选择求解器、速度场压力场耦合方式及空间离散格式；

步骤S7，通过模拟计算，获得等离子体发生器在运行期间的各种场数据。

其中，所述步骤S1建立的等离子发生器模型中，阴极和三个阳极均由循环水冷却，工作时，首先在阴极和第一阳极间通过高电压击穿，使周围气体电离，最终电弧稳定维持在阴极和第三阳极之间，工作气体从三个进气口注入，被电弧加热后从第三阳极喷出形成等离子体射流。

其中，所述步骤S2具体包括：

在第一进气口、第二进气口和第一阳极的区域划分为四面体网格，其余部分均划分为六面体网格；在壁面附近采用棱柱网格加密；所述各网格质量均大于0.3。

其中，在数值模型中增加延伸段网格，以减少出口边界条件对第三阳极出口的影响。

其中，所述步骤S3具体包括：

常温纯氮气分别从所述三个进气口注入，其中所述三个进气口的进孔尺寸、个数、中心圆圈直径、进气方向、半径夹角、体积流量参数输入到边界条件中；水冷壁面水温和对流换热系数参数输入到计算边界条件中；假设阴极上电流密度分布沿半径变化的函数并编程输入边界条件中。

其中，所述步骤S3具体包括：

将等离子体的物性随温度变化的数据编制表格，导入到Fluent的材料库中。

其中，所述步骤S4中所述MHD模块通过命令行激活。

其中，所述步骤S4中采用电势法，通过在流体力学控制方程中添加附加的源项实现耦合。

其中，所述步骤S4还包括：

在所述MHD模块中选择求解器方程和包含焦耳热的求解器方程，求解器控制中选择速度场压力场耦合方式，空间离散格式均采用二阶迎风格式，同时选择高阶项松弛以帮助收敛。

其中，所述步骤S5具体包括：

在起初的迭代中关闭电磁方程，只求解流体和能量方程，等计算稳定后，再打开电磁方程继续求解。

其中，所述步骤S6中，所述求解器选择压力基求解器，所述速度场压力场耦合方式选择SIMPLE，所述空间离散格式选择二阶迎风格式。

本发明实施例的有益效果在于，克服了现有等离子体发生器的物理过程研究及实验过程的诸多困难，采用数值模拟方法，以一种经济、有效的技术手段，对等离子体发生器的物理过程进行数值模拟，对发生器的电场、磁场、热力场、流场进行全面和准确的建模分析，提供了等离子体发生器工业应用中亟需的分析方法，可以成为等离子体发生器开发的重要手段。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一种等离子体发生器的模拟方法的流程示意图。

图2是本发明实施例中等离子体发生器的数值模型示意图。

图3是本发明实施例中获得的流场的温度示意图。

图4是本发明实施例中获得的流场的电流密度示意图。

具体实施方式

以下各实施例的说明是参考附图，用以示例本发明可以用以实施的特定实施例。

本发明采用数值模拟方法，基于ANSYS软件（是由美国ANSYS公司开发的一种融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件），对发生器的电场、磁场、热力场、流场进行全面和准确的建模分析，可以成为等离子体发生器开发的重要手段。

请参照图1所示，本发明实施例提供一种等离子体发生器的模拟方法，包括：

步骤S1，在ANSYS软件中对等离子体发生器进行三维建模；

步骤S2，对所述建立的模型进行网格划分；

步骤S3，设置所述模型的材料和边界条件；

步骤S4，对所述模型加载磁流体力学MHD模块；

步骤S5，初始化流场；

步骤S6，选择求解器、速度场压力场耦合方式及空间离散格式；

步骤S7，通过模拟计算，获得等离子体发生器在运行期间的各种场数据。

以下对各步骤分别进行详细说明。

步骤S1中，对于简单的几何模型，可以在ANSYSDM模块或ICEM模块中完成。复杂模型可通过UG\Catia等CAD建模后导出。为了节省网格数量，对计算分析结果影响不大的几何细节可以适度简化。

请结合图2所示，等离子发生器的阴极和三个阳极（第一阳极1、第二阳极2、第三阳极3）均由循环水冷却。工作时，首先在阴极和第一阳极1间通过高电压击穿，使周围气体电离（简称起弧阶段），最终电弧稳定维持在阴极和第三阳极3之间。工作气体从三个进气口（第一进气口1、第二进气口2和第三进气口3）注入，被电弧加热后从第三阳极3喷出形成等离子体射流。

步骤S2的网格划分是在ANSYS前处理工具中完成。具体的，在第一进气口1、第二进气口2和第一阳极1的区域划分为四面体网格，其余部分均划分为六面体网格。在壁面附近采用棱柱网格加密，以更好的捕捉边界层的效应。网格质量均大于0.3。另外，在数值模型中增加了延伸段网格，以减少出口边界条件对第三阳极3出口的影响。

步骤S3中，等离子体发生器工作时，常温纯氮气（T=300K，P=0.5MPa）分别从三个进气口1、2、3注入，其中进气口1、2、3的进孔尺寸、个数、中心圆圈直径、进气方向、半径夹角、体积流量等参数输入到边界条件中。水冷壁面水温和对流换热系数等参数输入到边界条件中。假设阴极上电流密度分布沿半径变化的函数并编程输入边界条件中。

由于电弧等离子体的特殊性，它的辐射既包括连续谱也包括包含成百上千条谱线的线性谱，并且等离子体的成分也是非常复杂的，这种频率分布和成分的复杂性使得热辐射的精确计算在现阶段是不可能的。通常，电弧辐射散热的处理是用一个所谓的“净辐射系数”NEC（NetEmissionCoefficient）来近似进行的。大多数的弧柱热辐射位于紫外线频率范围内，而这种频率的热辐射通常认为被电弧边界内的等离子体成分所吸收，为了模拟电弧的这种特性，采用在电弧边界处取净辐射系数为一负系数的方法。而且在本发明实施例中，认为电弧热辐射边界为温度8000K处，在温度低于8000K时，热辐射就不再是重要的热损失机制，此时净辐射系数取为零。

本发明实施例的纯氮气等离子体净辐射系数NEC的实验数据取自文献《CalculationofnetemissioncoefficientinN2SF6andSF6-N2arcplasma》（作者AGleizes等）。在Fluent中编制UDF（User-DefinedFunction，用户自定义函数）子程序，将NEC实验数据拟合为五阶多项式，通过自定义源项的方式修正能量方程。

流体的物性包括密度、粘度、比热、热导率、电导率、磁导率。将等离子体的物性随温度变化的数据编制表格，导入到Fluent的材料库中。

步骤S4中，磁流体力学MHD模块通过命令行激活，具体为：

define→models→addon-module.

EnterModuleNumber:[0]1

磁流体力学（Magnetohydrodynamics）是结合经典流体力学和电动力学的方法研究导电流体和磁场相互作用的学科。其基本思想是在运动的导电流体中，磁场能够感应出电流。磁流体力学将等离子体作为连续介质处理，要求其特征尺度远远大于粒子的平均自由程、特征时间远远大于粒子的平均碰撞时间，不需考虑单个粒子的运动。运用经典力学方法求解的输运系数（如扩散、粘性、热传导和电阻系数等）并讨论它们的物理机制。

在非导电流体力学的基础上研究导电流体中流场和磁场的相互作用，进行这种研究必须对经典流体力学加以修正，以便得到磁流体力学基本方程组，包括考虑介质运动的电动力学方程组和考虑电磁场作用的流体力学方程组。电动力学方程组包含电导率、电容率、磁导率；流体力学方程组包含粘性系数、热导率、气体比热等物理参量。

由于磁流体力学只关心流体的平均效果，因此是一种近似描述的方法，能够解释等离子体中的大多数现象。磁流体力学模块MHD作为ANSYSFluent的附加模块而存在。

Fluent采用有限体积法（FVM）将通用输运方程转换为代数方程，使得数值求解成为可能。FVM方法在每个网格单元上积分，每个积分单元上都满足质量、动量、能量的守恒法则。每个网格单元上的积分方程如下：

在ANSYSFluent中有两种基本的流场和电磁场的耦合方法：MagneticInductionMethod（磁场感应方法）和ElectricPotentialMethod（电势法）。在本发明实施例中采用的是第二种方法，即电势法。

通过在流体力学控制方程中添加附加的源项实现耦合功能，其中：

动量方程中源项，洛伦兹力：（没有磁场时，可忽略）

能量方程中源项，焦耳热：

MHD模块中选择SolveMHDEquation（求解器方程）和IncludeJouleHeating（包含焦耳热的求解器方程），求解器控制中选择速度场压力场耦合方式，空间离散格式均采用二阶迎风SecondOrderUpwind。同时，勾选HighOrderTermRelaxation（高阶项松弛）选项帮助收敛。

步骤S5中，由于MHD模块中增加了附加的源项，有时候会造成收敛困难，因此可以在起初的迭代中关闭电磁方程，只求解流体和能量方程，等计算稳定后，再打开电磁方程继续求解。

在Fluent中有两种求解器可供选择，分别是pressure-basedsolver（压力基求解器）和density-basedsolver（密度基求解器）。本发明实施例在步骤S6中求解器选择Pressure-basedsolver；压力-速度耦合方式：SIMPLE（使用压力和速度之间的相互校正关系来强制质量守恒并获取压力场）；空间离散格式：SecondOrderUpwind。速度场的计算在两种求解器中都是从动量方程获得，在density-basedsolver中密度场是从连续性方程中获得，压力场是从气体状态方程获得，而在pressure-basedsolver中压力场是直接从连续性方程和动量方程中获得。

步骤S7中，通过ANSYS后处理可以观察速度场、压力场、温度场、电磁场，可以显示速度矢量、电磁矢量、温度云图、压力云图、电流密度、电压，空间流线等。图3和图4分别示出了流场的温度和电流密度示意图。

通过上述说明可知，本发明克服了现有等离子体发生器的物理过程研究及实验过程的诸多困难，采用数值模拟方法，以一种经济、有效的技术手段，对等离子体发生器的物理过程进行数值模拟，对发生器的电场、磁场、热力场、流场进行全面和准确的建模分析，提供了等离子体发生器工业应用中亟需的分析方法，可以成为等离子体发生器开发的重要手段。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (11)

1.一种等离子体发生器的模拟方法，包括：

步骤S1，在ANSYS软件中对等离子体发生器进行三维建模；

步骤S2，对所述建立的模型进行网格划分；

步骤S3，设置所述模型的材料和边界条件；

步骤S4，对所述模型加载磁流体力学MHD模块；

步骤S5，初始化流场；

步骤S6，选择求解器、速度场压力场耦合方式及空间离散格式；

步骤S7，通过模拟计算，获得等离子体发生器在运行期间的各种场数据。

2.根据权利要求1所述的等离子体发生器的模拟方法，其特征在于，所述步骤S1建立的等离子发生器模型中，阴极和三个阳极均由循环水冷却，工作时，首先在阴极和第一阳极间通过高电压击穿，使周围气体电离，最终电弧稳定维持在阴极和第三阳极之间，工作气体从三个进气口注入，被电弧加热后从第三阳极喷出形成等离子体射流。

3.根据权利要求2所述的等离子体发生器的模拟方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：

在第一进气口、第二进气口和第一阳极的区域划分为四面体网格，其余部分均划分为六面体网格；在壁面附近采用棱柱网格加密；所述各网格质量均大于0.3。

4.根据权利要求3所述的等离子体发生器的模拟方法，其特征在于，在数值模型中增加延伸段网格，以减少出口边界条件对第三阳极出口的影响。

5.根据权利要求2所述的等离子体发生器的模拟方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：

常温纯氮气分别从所述三个进气口注入，其中所述三个进气口的进孔尺寸、个数、中心圆圈直径、进气方向、半径夹角、体积流量参数输入到边界条件中；水冷壁面水温和对流换热系数参数输入到计算边界条件中；假设阴极上电流密度分布沿半径变化的函数并编程输入边界条件中。

6.根据权利要求5所述的等离子体发生器的模拟方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：

将等离子体的物性随温度变化的数据编制表格，导入到Fluent的材料库中。

7.根据权利要求2所述的等离子体发生器的模拟方法，其特征在于，所述步骤S4中所述MHD模块通过命令行激活。

8.根据权利要求7所述的等离子体发生器的模拟方法，其特征在于，所述步骤S4中采用电势法，通过在流体力学控制方程中添加附加的源项实现耦合。

9.根据权利要求8所述的等离子体发生器的模拟方法，其特征在于，所述步骤S4还包括：

在所述MHD模块中选择求解器方程和包含焦耳热的求解器方程，求解器控制中选择速度场压力场耦合方式，空间离散格式均采用二阶迎风格式，同时选择高阶项松弛以帮助收敛。

10.根据权利要求1所述的等离子体发生器的模拟方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：

在起初的迭代中关闭电磁方程，只求解流体和能量方程，等计算稳定后，再打开电磁方程继续求解。

11.根据权利要求1所述的等离子体发生器的模拟方法，其特征在于，所述步骤S6中，所述求解器选择压力基求解器，所述速度场压力场耦合方式选择SIMPLE，所述空间离散格式选择二阶迎风格式。