大功率电弧加热器起弧过程流场特性研究

欧东斌, 曾 徽, 马汉东， 闫宪翔

(中国航天空气动力技术研究院电弧等离子应用装备北京市重点实验室, 北京 100074)

引 言

电弧等离子体通过气体电离击穿放电, 产生弧光, 获得等离子体环境, 广泛应用于垃圾焚烧、 重金属处理、 CVD热等离子体处理、 等离子体雾化等领域[1], 通过电弧等离子体加热空气介质的方式获得高温气流, 可以模拟飞行器再入的气动热环境, 是开展防热材料筛选和考核的首选地面试验模拟环境[2]. 电弧等离子体的起弧过程是气体离解和电离的过程, 氩气介质因其是单原子分子, 无需离解且电离能较低, 可以快速击穿并建立电弧通道, 目前采用真空氩气起弧方式因其起弧可靠性、 安全性和运行的方便性, 已经成为国内外电弧风洞加热设备启动运行的首选方案[3]. 同时, 随着新型高超声速飞行器的发展, 对于气动热地面试验设备模拟能力提出了更高的要求, 发展具备模拟高焓、 高压热环境的电弧加热自由射流平台是未来气动热试验设备发展的重要方向, 其中真空氩气起弧试验技术要求进一步发展为常压氩气起弧, AEDC研究中心的H3 70 MW电弧加热自由射流设备, 采用常压氩气起弧方式可以实现高焓叠片式电弧加热器常压启动, 对于开展高焓(≥10 MJ/kg)、 高压(≥10 MPa)端头烧蚀试验具有重要意义[4]. 目前国内缺乏这一类型的常压叠片式电弧加热设备, 中国航天空气动力技术研究院正在开展真空-常压(100 Pa～0.1 MPa)起弧试验技术的研究, 进一步要求提升对大功率电弧加热器起弧过程流场特性的认识, 特别是对于等离子体气流温度和流场组分浓度的在线定量测量.

国内外在高温流场研究方面开展了大量的研究, 从早期接触式测量方法发展到目前的光谱诊断技术[5], 后者具备非接触式、 响应速度快, 多参数空间分辨测量的特性, 是国内外高焓气流诊断的研究热点[6]. 基于激光吸收光谱、 发射光谱、 激光诱导荧光光谱等测量技术, 研究人员开展了对等离子体流场特性的定量、 定性研究[7-10]. 本文基于所发展的高焓气流发射光谱诊断技术, 开展对10 MW量级长分段电弧加热器电弧等离子体高温气流的研究, 研究真空氩气起弧过程的等离子体辐射光谱特性, 进一步获得等离子体气流电子温度和电极烧蚀铜原子组分浓度的定量演化规律, 该研究工作有益于提升对大功率电弧加热器氩气起弧特性的定量、 定性认识.

1 测量原理

1.1温度测量

原子发射光谱的辐射强度可表示为

(1)

其中,Aul为谱线的Einstein发射系数, 单位为s-1;hul为Planck常数, 单位为Js;λul为谱线跃迁的波长, 单位为nm;nu为谱线高能级粒子数密度, 单位为cm-3; u表示高能级, l表示低能级. 电弧加热器通过击穿放电产生热电弧, 将进入加热器弧室内的冷态试验介质加热至高温状态, 对于弧室内的高温气流, 其流速很低, 可以将加热器内等离子体气流假定为局部热力学平衡态, 相关研究结果验证了这一假设[11-12]. 在满足热平衡等离子体条件下, 高能级粒子数密度与总粒子数密度之间满足Maxwell-Boltzmann分布

(2)

其中,n0为总粒子数密度, 单位为cm-3;gu为高能级电子简并度;Q(T)为配分函数;k为Boltzmann常数, 单位为JK-1；Eu为高能级能量, 单位为cm-1; 则

(3)

由式(3)可知, 可以通过选取不同高能级能量的原子谱线, 通过对数化后的光谱强度与高能级能量之间进行线性拟合, 可以获得等离子体气流的电子温度. 如表 1所示, 本研究选取电弧加热器起弧试验介质-氩气的6组发射光谱谱线, 开展对于电弧加热器起弧过程气流温度的定量分析, 图 1给出了具体的拟合情况, 通过拟合曲线的斜率即可反推气流温度.

表1 氩气谱线光谱参数[13]

图1 氩气谱线Boltzmann拟合Fig. 1 Boltzmann linear fitting for selected argon lines

1.2 浓度测量

由1.1节可知, 氩气起弧过程可以假定为热平衡过程, 氩气介质摩尔组分浓度XAr是平衡温度T(单位为K)和压力P(单位为MPa)的函数

XAr=XAr(T,P)

(4)

图 2为氩气摩尔组分浓度的热平衡计算结果[14], 确定气流温度和压力后可获得氩气摩尔组分浓度的定量变化, 从图2可以看出, 在T≤10 000 K, 氩气介质的电离度<5%, 主要以氩原子的形式存在.

为了获得氩气起弧过程电极铜原子烧蚀量, 本实验选取氩原子 Ar I和铜原子Cu I的谱线, 获得各自原子谱线的光谱强度ICu和IAr, 结合式(1)和(2)可得

(5)

则铜原子摩尔分数可以表示为式(6)的形式

(6)

Cu I的配分函数可通过NIST原子光谱数据库获得, Cu I和Ar I配分函数均可表示为温度的函数Q0(T)和QCu(T), 具体定量关系如图 3所示, 铜原子摩尔组分浓度XCu可以通过氩气摩尔组分含量XAr和气流温度T获得.

图2 氩气摩尔组分浓度随温度变化Fig. 2 Argon mole fraction under different temperatures

(a) Cu

(b) Ar图3 铜原子和氩原子配分函数随温度变化趋势Fig. 3 Partition functions of copper and argon under different temperatures

表2 铜原子谱线基本光谱参数[13]

2 试验部分

本研究在中国航天空气动力技术研究院高温气体动力学研究室10 MW量级长分段电弧风洞上开展. 如图 4所示, 电弧风洞的核心组成部分是一套10 MW量级大功率长分段电弧加热器, 这种加热器以管状电弧加热器为原型, 结合叠片式电弧加热器分段吹气技术发展出来, 因此长分段电弧加热器具有管状电弧加热器和叠片电弧加热器的特点, 也叫混合式电弧加热器. 长分段电弧加热器采用与管状电弧加热器类似的圆管状阳极、 阴极形式, 不同之处在于, 长分段电弧加热器的圆管状前电极加长, 并被分割成若干个隔离段, 中间彼此绝缘, 每一段成为绝缘压缩段, 每个压缩段之间用绝缘材料隔开, 并从段间引入气体, 以强制阴极弧根落在更远的短管式前电极, 绝缘压缩段类似于叠片式电弧加热器的压缩片, 只不过压缩段的厚度更厚. 因此, 长分段电弧加热器的气动热参数模拟范围介于管式电弧加热器和叠片式电弧加热器之间, 为中压(0.1～5 MPa)、 中焓(6～20 MJ/kg)地面试验设备.

图4 长分段电弧风洞及发射光谱诊断系统示意图Fig. 4 Schematic of the experimental setup of the long-segmented arc-heated wind tunnel and OES system

长分段电弧加热器的起弧过程可以分为3个阶段: 如图 5所示, 第1阶段是在阳极和阴极通入氩气介质, 由于氩气为惰性气体, 击穿后电压很低, 维持在450 V左右; 第2阶段为过渡阶段. 此时保持氩气通入, 同时通入少量空气介质, 用于维持并放大电弧通道, 此阶段电弧加热器运行电流增加, 同时随着进气的增加, 电弧电压也缓慢增加; 第3阶段为正式运行阶段, 氩气停止通入, 代之以完全的空气试验介质, 电弧电压迅速增加并逐渐保持稳定, 从而获得一定温度和压力的高温气流. 随后高温气流通过喷管加速, 形成超声速气流, 对喷管出口下游试验模型进行防热材料考核. 光学测量位于电弧加热器阴极和喷管收缩段之间, 两者之间安装有一套光学测量压缩片, 实现对电弧加热器等离子体气流辐射光谱的在线测量, 研究加热器起弧流场特性, 具体的光学布置可见本研究室前期的工作[15].

3 试验结果与分析

图 8(a) 给出了电弧加热器起弧过程中等离子体气流温度的结果. 加热器起弧瞬间, 等离子体气流温度出现一个尖峰, 最高温度达到12 600 K, 显示电弧瞬间击穿、 建立; 电弧通道建立后, 等离子体气流温度出现小幅回落, 之后等离子体气流温度基本维持稳定, 气流温度在11 000 K±300 K小幅波动, 表明氩气起弧建立了稳定的电弧通道. 重复试验测量结果显示, 等离子体气流温度吻合非常一致, 显示出长分段电弧加热器真空起弧具有非常好的稳定性和重复性.

图5 电弧加热器起弧伏安特性曲线. Fig. 5 Measured voltage and current for arc ignition

图6 空气等离子体气流辐射光谱 Fig. 6 Measured raw spectrum for air plasma

图7 空气等离子体下典型组分光谱辐射强度随时间变化 Fig. 7 Time-resolved variation of spectral intensity of selected species transitions for air plasma

(a) Temperature

(b) Mole concentration of copper图8 氩气过程等离子体气流温度和浓度结果Fig. 8 Measured temperature and copper concentration of plasma flow during argon ignition

图 8(b)给出了氩气起弧过程中电极烧蚀铜原子摩尔组分浓度的变化. 与气流温度的变化类似, 起弧瞬间, 铜原子组分浓度出现尖峰, 其原因与气流温度的陡增和弧根建立有关. 不同于等离子体气流温度的稳定变化, 铜原子组分浓度出现较大的波动, 组分浓度值在(1～25)×10-6范围内出现周期性上升和降低, 其原因在于: 电弧加热器长期运行, 电极内壁面表面不平整, 电弧弧根在电极壁面旋转过程中, 弧根落在电极表面某处位置出现较大的烧蚀. 因此, 依据铜粒子浓度的实时变化, 可以判断电弧加热器电极表面状态, 进而保证加热器安全运行. 本研究中, 起弧过程中铜粒子最大浓度低于25×10-6, 只需电极表面进行打磨处理, 即可保证电极正常工作.

4 结论

本研究应用发射光谱测量技术开展了对大功率长分段电弧加热器起弧过程等离子体流场特性的研究, 实现对电弧加热器起弧过程流场温度和典型组分浓度的测量结果. 基于所选氩气谱线, 本研究获得了大功率电弧加热器氩气起弧过程等离子体气流温度的变化: 等离子气流温度在11 000 K左右, 温度波动小于300 K, 证明该类型电弧加热器采用真空氩气起弧方式具有非常好的起弧稳定性; 重复试验显示等离子体气流温度吻合非常一致, 说明该类型电弧加热器良好的状态一致性. 同时, 基于对铜原子谱线的分析, 本研究对等离子体气流中铜原子浓度进行了定量分析, 获得了氩气起弧过程中电极烧蚀铜原子摩尔组分浓度结果, 整个起弧过程电极烧蚀量较小, 铜原子组分浓度低于25×10-6, 并存在周期性的波动变化, 显示出电弧弧根在电极表面旋转过程中的不均匀烧蚀. 本研究针对大功率电弧加热器真空起弧过程的光谱定量研究, 为研究大功率电弧加热器起弧特性提供了定量数据, 下一步工作将针对长分段电弧加热器在不同运行参数(电流、 流量)、 不同试验介质、 不同真空压力下开展更加系统的研究, 从而为大功率常压起弧电弧加热器发展和电极优化提供全面依据.