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液下等离子体电弧特性研究及反应器设计

作　者: 郭云龙
导　师: 俞建荣
学　校: 北京化工大学
专　业: 化工过程机械
关键词: 液下放电等离子电源电弧形态音频分析伏安特性数值模拟
分类号: TQ052
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

等离子体电弧在焊接、石油化工和环保领域是一种非常普遍而且效率很高的热源。不过大部分产生等离子电弧的方式还是集中在以气体为介质的状态条件下,相比来看,以水或其他液体类介质的研究还比较少。液下等离子体电弧放电是近些年来才发展出来的一个新课题,如果在环保领域应用这种技术,将不会出现二次污染现象,所以这种新型等离子体电弧放电技术有着非常实际的研究意义。本文建立了液下等离子体电弧总反应装置实验系统。在实验过程中通过摄像设备观察和记录了不同电流情况下电弧的形态变化,得出在电流密度增大到一定程度的情况下,电弧形态比较好,电弧比较明亮,电弧燃烧比较稳定。本文通过对音频采集到的电弧放电频谱波形图来对整个电弧放电过程进行了深入分析,包括波形图分析及频谱图分析,并采用数理统计学的方法评估不同电流情况下电弧放电稳定性。利用流体动力学分析软件CFD-ACE+建立了液下等离子体电弧的三维几何模型,并分析了不同电源电流情况下的电弧温度分布情况。结果显示,随着电源电流的增大,电弧中心温度逐渐升高；本文理论研究和实验得出的数据将为今后液下等离子体电弧反应装置系统和电源参数的进一步改善控制与优化提供了理论指导依据。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-15
第一章绪论  15-31
  1.1 等离子体及其应用领域  15-17
    1.1.1 等离子体概念  15-16
    1.1.2 等离子电弧的应用领域  16-17
  1.2 等离子电弧的产生与形态  17-18
    1.2.1 等离子电弧的三种形态  17
    1.2.2 液下等离子体电弧内部作用关系  17-18
  1.3 等离子体电弧在环保技术领域中的研究进展  18-23
    1.3.1 海岸溢油和工业废液背景  20-21
    1.3.2 现阶段海上溢油清污概况  21
    1.3.3 不同类型海岸的溢油清理方法  21-23
      1.3.3.1 盐沼地和红树林海岸  21-22
      1.3.3.2 沉积海岸  22
      1.3.3.3 岩石海岸  22-23
  1.4 国内外等离子体电弧形态和稳定性研究现状  23-27
    1.4.1 国内研究现状及进展  23-25
      1.4.1.1 等离子弧流内部温度场数值模拟  23-24
      1.4.1.2 三维电弧弧流模型的数值模拟  24-25
    1.4.2 国外研究现状及进展  25-27
      1.4.2.1 自由等离子体电弧数值模拟  25-26
      1.4.2.2 约束性等离子体弧流数值模拟  26
      1.4.2.3 滑动等离子体弧流数值模拟  26-27
  1.5 液下等离子体电弧反应装置系统研究进展  27-30
  1.6 本文的主要研究内容  30
  1.7 本章小结  30-31
第二章液下等离子体电弧反应装置系统设计  31-49
  2.1 反应装置系统总体设计  31-32
  2.2 液下等离子电弧反应器  32-43
    2.2.1 反应器筒体设计  32-36
    2.2.2 电极和传动轴装置设计  36-39
    2.2.3 气体收集和换热装置设计  39-40
    2.2.4 液体污染物循环装置设计  40-41
    2.2.5 废物后续处理装置设计  41
    2.2.6 液体污染物进料装置设计  41-42
    2.2.7 其他零部件设计和选型  42-43
  2.3 液压驱动系统  43
  2.4 等离子体电源  43-45
  2.5 摄像设备和音频分析软件  45-47
    2.5.1 摄像仪  46
    2.5.2 液下等离子体电弧摄像关键技术  46
    2.5.3 音频提取和频谱分析软件  46-47
  2.6 实验操作步骤  47-48
  2.7 本章小结  48-49
第三章液下等离子电弧稳定性实验研究  49-76
  3.1 液下等离子体电弧稳定性研究  49-53
    3.1.1 I=300A时液下等离子体电弧形态  49-51
    3.1.2 I=500A时液下等离子体电弧形态  51-53
  3.2 液下等离子体电弧稳定性分析  53-70
    3.2.1 利用MATLAB导出电弧音频波形图  53-55
    3.2.2 利用cool edit软件分析电弧音频频谱特性和电弧稳定性  55-70
      3.2.2.1 电源电流为300A时各个时间段音频频谱分析  55-63
      3.2.2.2 电源电流为500A时不同时间段音频频谱分析  63-70
  3.3 液下等离子体电弧伏安特性分析  70-73
  3.4 液下等离子体电弧电导率与电弧温度关系  73-74
  3.5 反应生成的可燃气体与不可燃气体  74-75
  3.6 本章小结  75-76
第四章液下等离子电弧数值模拟研究  76-88
  4.1 流体动力学分析软件简介  76-80
    4.1.1 CFD-GEOM介绍  77
    4.1.2 CFD-ACE+介绍  77-79
      4.1.2.1 CFD-ACE+两相流模块介绍  77-78
      4.1.2.2 CFD-ACE+等离子体模块介绍  78-79
    4.1.3 CFD-VIEW后处理器介绍  79-80
  4.2 数学模型  80-82
    4.2.1 基本假设  81
    4.2.2 微分控制方程  81-82
  4.3 几何模型建立  82-83
  4.4 网格划分  83-84
  4.5 求解设置  84-85
    4.5.1 边界条件  84-85
  4.6 数值模拟结果分析  85-87
    4.6.1 不同电流情况下液下等离子电弧温度变化曲线  86-87
  4.7 本章小结  87-88
第五章总结与展望  88-89
参考文献  89-93
致谢  93-94
研究成果及发表的学术论文  94-95
作者及导师简介  95-96
附件  96-97

液下等离子体电弧特性研究及反应器设计

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