[论文解读] Numerical analysis of flow characteristics of an atmospheric plasma torch

Youn J. Kim, You-Jae Kim+1 more|ArXiv.org|Oct 25, 2004

Aerosol Filtration and Electrostatic Precipitation参考文献 1被引用 6

一句话总结

本研究采用两种数学模型对大气压等离子体喷枪中的流动特性进行了数值研究，利用有限体积法（FVM）和SIMPLE算法模拟等离子体行为。研究发现，由于模型假设的不同，预测的等离子体速度和温度存在显著差异，凸显了其对热喷涂过程动力学及喷嘴出口附近等离子体分布均匀性的重要影响。

ABSTRACT

The atmospheric plasma is regarded as an effective method for surface treatments because it can reduce the period of process and does not need expensive vacuum apparatus. The performance of non-transferred plasma torches is significantly depended on jet flow characteristics out of the nozzle. In order to produce the high performance of a torch, the maximum discharge velocity near an annular gap in the torch should be maintained. Also, the compulsory swirl is being produced to gain the shape that can concentrate the plasma at the center of gas flow. Numerical analysis of two different mathematical models used for simulating plasma characteristics inside an atmospheric plasma torch is carried out. A qualitative comparison is made in this study to test the accuracy of these two different model predictions of an atmospheric plasma torch. Numerical investigations are carried out to examine the influence of different model assumptions on the resulting plasma characteristics. Significant variations in the results in terms of the plasma velocity and temperature are observed. These variations will influence the subsequent particle dynamics in the thermal spraying process. The uniformity of plasma distribution is investigated. For analyzing the swirl effects in the plenum chamber and the flow distribution, FVM (finite volume method) and a SIMPLE algorithm are used for solving the governing equations.

研究动机与目标

• 分析不同数学模型对大气压等离子体喷枪中等离子体流动特性的影响。
• 评估模型假设对预测等离子体速度和温度分布的影响。
• 研究扩压室中的涡流效应及其在塑造中心等离子体射流集中度中的作用。
• 评估喷嘴出口处等离子体分布的均匀性，以提升喷枪性能。
• 对两种建模方法在模拟喷枪动力学方面准确性进行定性比较。

提出的方法

• 采用有限体积法（FVM）对流体流动和能量传递的控制方程进行离散化，开展数值模拟。
• 应用SIMPLE算法求解不可压缩流体的纳维-斯托克斯方程中的压力-速度耦合问题。
• 采用两种不同的数学模型来表征等离子体行为，其在湍流和热传输假设方面存在差异。
• 模拟聚焦于喷枪的环形间隙区域，以分析最大放电速度和流动集中度。
• 在扩压室中改变涡流条件，分析其对等离子体射流形成的影响。
• 评估喷嘴出口处的等离子体均匀性和速度分布，以评估喷枪性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同数学模型如何影响大气压等离子体喷枪中预测的等离子体速度和温度？
• RQ2 扩压室中涡流生成对等离子体射流集中度和流动稳定性有何影响？
• RQ3 模型假设如何影响喷嘴出口处等离子体分布的均匀性？
• RQ4 在速度和温度分布方面，两种模型在流动特性上的关键差异是什么？
• RQ5 模型差异在多大程度上影响热喷涂应用中后续颗粒的动力学行为？

主要发现

• 在两种数学模型之间观察到预测等离子体速度和温度存在显著差异，表明模拟结果具有明显的模型依赖性。
• 在环形间隙附近的最大放电速度对模型假设极为敏感，影响喷枪效率。
• 扩压室中的涡流生成在将等离子体射流集中于流场中心方面起到关键作用，提升了聚焦度和强度。
• 模型差异导致等离子体均匀性出现显著偏差，直接影响热喷涂沉积的一致性。
• 采用FVM和SIMPLE算法能够准确解析复杂流动结构，特别是在喷嘴附近和涡流区域。
• 结果表明，模型选择对等离子体行为预测具有决定性影响，对优化喷枪设计和过程控制具有重要意义。