摘要
水蒸气等离子体具有较高的焓值、较好的氧化还原性和生态友好性，因此在环保领域富有前景。但是现有的水蒸气等离子体发生器中水蒸气容易发生冷凝的现象，导致电弧弧压波动剧烈、电极烧蚀严重等问题。本文设计了一款新型水蒸气等离子体发生器，通过优化水蒸气等离子体发生系统，减少发生器中水蒸气冷凝的现象，并在此基础上通过数值模拟与实验相结合的方式，研究了不同阳极结构、气流量、电弧电流对水蒸气等离子体电热-射流特性的影响，最后研究了不同阳极结构对电极寿命的影响规律。主要研究内容及结论如下: （1）设计了一套50KW的水蒸气等离子体发生系统，包括：等离子体电源、水冷系统、水蒸气产生设备、水蒸气等离子体发生器、供气系统、数据采集系统。针对水蒸气易冷凝的问题，对结构与工艺进行了优化，通过空气/水蒸气等离子体切换改进了水蒸气等离子体的产生方式。 （2）通过数值模拟的方式，研究了水蒸气等离子体发生器的阳极结构、水蒸气流量、电弧电流对水蒸气等离子体发生器的射流温度、射流速度和自感应磁场平均强度的影响规律。研究表明：1）在阳极收缩角都为30o的情况下，台阶形阳极结构的水蒸气等离子体发生器的射流最高温度高于喇叭形阳极结构；2）同等条件下，台阶形阳极结构的水蒸气等离子体发生器的射流速度高于喇叭形阳极结构；3）台阶形阳极水蒸气等离子体发生器的自感应磁场平均强度远大于喇叭形阳极结构下的自感应磁场平均强度；4）水蒸气等离子体发生器的射流温度、速度随着水蒸气流量的增加而增加，而气流量增加对水蒸气等离子体发生器的自感应磁场影响不明显；5）水蒸气等离子体发生器的射流温度、速度以及自感应磁场随着电弧电流的增大而增大。 （3）通过控制变量的实验方法，研究了电弧电流、水蒸气流量和阳极结构对水蒸气等离子体发生器的电热-射流特性的影响规律。结论如下：1）水蒸气等离子体发生器的电弧电压随着电弧电流和水蒸气流量的增大而增大；2）在电弧电流值恒定的情况下，低气流量条件下台阶形阳极的水蒸气等离子体发生器的电弧电压低于喇叭形阳极下的电弧电压，在高气流量条件下则趋势相反；3）发生器热效率随着水蒸气流量的增大而增大，随电弧电流的增大而降低。当电弧电流与水蒸气流量相同时，在低气流量的情况下，喇叭形阳极结构的热效率高于台阶形阳极结构的热效率，但随着水蒸气流量的增加，台阶形阳极的热效率逐渐高于喇叭形阳极的热效率；4）等离子体发生器射流的长度随电弧电流的增大而增长；相比喇叭形阳极下的水蒸气等离子体射流，台阶形阳极下的射流更为集中；5)水蒸气等离子体射流中羟基组分的峰值强度随电弧电流的增大而增大，随水蒸气流量的增大而减小。 （4）通过实验研究了本文设计的新型水蒸气等离子体发生器的弧压波动。结论如下：1）经优化后的水蒸气等离子体发生器稳定性得到了较大的提升，弧压波动值较小，波动幅度在10%以内；2）电弧弧压的波动值随水蒸气流量的增大而增大；3）在相同电弧电流和工作气流量的情况下，以在水蒸气氛围下运行的发生器电弧电压波动值略小于在空气氛围下运行的发生器电弧电压波动值。 （5）通过实验的方法研究了阳极结构、水蒸气流量对水蒸气等离子体发生器阳极寿命的影响规律，结论如下：1）台阶形阳极的弧根转动速率高于喇叭形阳极的弧根转动速率；2）弧根转动速率随水蒸气流量的增大而增大；3）台阶形阳极的比烧蚀率小于喇叭形阳极的比烧蚀率；4）在一定条件下阳极的比烧蚀率随电弧电流和水蒸气流量的增大而减小。
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