以非正交網格方法模擬軸對稱熱電漿流場

Abstract

本研究建立以貼壁非正交網格求解以磁流體動力模型描訴的軸對稱熱電漿流場的數值方法。本研究以有限體積法離散連續方程式、動量方程式、能量方程式和紊流模型，流場內的電流分佈由安培定律求得，磁場則是利用歐姆定律求得。流場中速度與壓力的耦合關係以SIMPLE法加以拆解，以隱式計算方法聯立求解離散後的流場統御方程式。本研究探討Step以及Horn設計根式非傳輸型火炬在氮氣流量範圍25至95 SLM以及工作電流範圍40至90 A的電漿火炬特性。根式火炬陰極位置假設固定於負電極處，陽極位置則是利用實驗電壓加以推估。Step及Horn 電漿火炬設計的出口平均軸向速度分別約為80至120 m/s以及20至80 m/s，出口平均溫度則皆介於3000至5000 K之間。Step及Horn 電漿火炬設計的出口平均軸向速度分別正比於工作電流的0.587次方及1.504次方，以及分別正比於流量的0.3796次方及0.019次方。出口平均溫度則是正比於流量的-0.4694次方及-0.4376次方，以及分別正比於工作電流的0.3389次方及0.4038次方。