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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

欧东斌, 曾徽, 马汉东, 闫宪翔. 大功率电弧加热器起弧过程流场特性研究[J]. 气体物理, 2021, 6(3): 62-67. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0894
引用本文: 欧东斌, 曾徽, 马汉东, 闫宪翔. 大功率电弧加热器起弧过程流场特性研究[J]. 气体物理, 2021, 6(3): 62-67. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0894
OU Dong-bin, ZENG Hui, MA Han-dong, YAN Xian-xiang. Quantitative Study of Flow Characteristics During Ignition for High Power Arc Heater[J]. PHYSICS OF GASES, 2021, 6(3): 62-67. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0894
Citation: OU Dong-bin, ZENG Hui, MA Han-dong, YAN Xian-xiang. Quantitative Study of Flow Characteristics During Ignition for High Power Arc Heater[J]. PHYSICS OF GASES, 2021, 6(3): 62-67. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0894

大功率电弧加热器起弧过程流场特性研究

doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0894
基金项目: 

国家自然科学基金 11802299

载人航天领域预先研究项目 010502

详细信息
    作者简介:

    欧东斌(1979-)男, 研究员, 主要研究方向为气动热和热防护试验技术.E-mail: oudongbin@sina.com

    通讯作者:

    曾徽(1989-)男, 高工, 主要研究气动热试验研究与高焓光学诊断.E-mail: zenghuikeda@outlook.com

  • 中图分类号: O433.1;O657.31

Quantitative Study of Flow Characteristics During Ignition for High Power Arc Heater

  • 摘要: 电弧等离子体是通过电极之间击穿放电,产生热电弧,实现对冷态介质加热,目前大功率的电弧等离子体发生器在航空航天领域有重要的应用,是国内外开展飞行器防热材料筛选和考核研究最重要的地面模拟试验设备.本研究基于发展的高焓气流非接触式光谱诊断方法,开展对10 MW量级大功率长分段电弧加热器起弧过程流场特性的定量、定性研究,在线测量等离子气流的辐射光谱,并获得了等离子体气流电子温度和电极烧蚀铜原子摩尔组分浓度的测量结果.研究结果表明:起弧开始阶段,纯氩气通入,等离子体辐射光谱以分立的氩原子谱线为主;过渡阶段,随着空气的通入出现了N2和N2+的连续分子谱和Ar、N、O原子谱,等离子体电子温度随之降低;正式运行阶段,纯空气介质运行,辐射光谱以N2和N2+连续分子谱和N、O原子谱为主.整个电弧加热器起弧过程伴随持续的电极烧蚀,等离子体辐射光谱中铜原子谱线一直存在.氩气起弧时,等离子体气流电子温度稳定在11 000 K±300 K,显示出电弧加热器稳定的起弧特性.同时,电弧等离子体气流中铜原子摩尔组分浓度在(1~25)×10-6之间周期性变化,显示弧根旋转过程中不规则的电极烧蚀变化.发展的发射光谱诊断方法为研究电弧加热器真空氩气起弧特性提供量化手段,可以为真空-常压氩气起弧试验技术的发展和电极优化提供直接量化依据,为大功率常压叠片电弧加热试验平台发展奠定基础.

     

  • 图  1  氩气谱线Boltzmann拟合

    Figure  1.  Boltzmann linear fitting for selected argon lines

    图  2  氩气摩尔组分浓度随温度变化

    Figure  2.  Argon mole fraction under different temperatures

    图  3  铜原子和氩原子配分函数随温度变化趋势

    Figure  3.  Partition functions of copper and argon under different temperatures

    图  4  长分段电弧风洞及发射光谱诊断系统示意图

    Figure  4.  Schematic of the experimental setup of the long-segmented arc-heated wind tunnel and OES system

    图  5  电弧加热器起弧伏安特性曲线

    Figure  5.  Measured voltage and current for arc ignition

    图  6  空气等离子体气流辐射光谱

    Figure  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

    Figure  7.  Time-resolved variation of spectral intensity of selected species transitions for air plasma

    图  8  氩气过程等离子体气流温度和浓度结果

    Figure  8.  Measured temperature and copper concentration of plasma flow during argon ignition

    表  1  氩气谱线光谱参数[13]

    Table  1.   Fundamental spectroscopic data for argon lines[13]

    No. λ/nm E/eV gA×10-7/(cm-1)
    1 696.54 13.33 1.92
    2 706.72 13.30 1.90
    3 738.40 13.30 4.24
    4 801.48 13.09 4.64
    5 922.45 13.17 2.52
    6 965.78 12.91 1.63
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    表  2  铜原子谱线基本光谱参数[13]

    Table  2.   Fundamental spectroscopic data for copper transition[13]

    No. λ0/nm Aul×
    10-6/s-1
    El/cm-1 Eu/cm-1 gl gu
    1 521.8 75.0 30 783 49 942 4 6
    522 15 30 783 49 942 4 4
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-10-15
  • 修回日期:  2021-01-01
  • 发布日期:  2021-05-20
  • 刊出日期:  2021-05-20

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