高焓电弧风洞等离子体参数测量

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作者 曾徽 闫宪翔 +2 位作者 陈智铭 苗文博 周靖云 《空气动力学学报》 北大核心 2025年第7期108-117,I0002,共11页

地面试验是开展等离子体流场特性表征的重要手段,针对高焓流场等离子体参数辨识的需求,在电弧风洞开展了典型流场等离子体参数测量研究。利用带攻角钝楔平板模型模拟飞行器大面积区域流场,采用静电探针诊断技术,结合电动扫描技术进行了... 地面试验是开展等离子体流场特性表征的重要手段,针对高焓流场等离子体参数辨识的需求,在电弧风洞开展了典型流场等离子体参数测量研究。利用带攻角钝楔平板模型模拟飞行器大面积区域流场,采用静电探针诊断技术,结合电动扫描技术进行了钝楔模型流场电子密度的空间分布测量,同时使用数值方法开展了对应状态的仿真模拟,并对两者进行了对比验证。研究发现:对于当前风洞条件,矩形喷管z向80 mm厚度核心区的等离子体参数基本保持均匀稳定,在靠近喷管壁面的两侧边缘位置受边界层影响电子密度明显衰减。本文所采用的探针测量方案对于电子密度测试的影响较小:相对高电子密度(1011 cm^(–3))工况电子密度实测值与计算值吻合良好,偏差小于0.5个数量级;低电子密度(1010 cm^(–3))工况等离子体电子密度实测值显著高于计算值,偏差在0.5~1个量级,初步分析认为电极烧蚀带来的铜污染效应是重要影响因素。本研究为飞行器近壁面等离子体参数测量提供了有效验证手段。 展开更多

关键词 飞行器再入 高焓电弧风洞 电子密度诊断 静电探针 流场数值模拟

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交流电弧等离子体炬及其应用的研究进展 被引量：2

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作者 周法 马汉东 +2 位作者 陈海群 朱兴营 刘祥 《空气动力学学报》 CSCD 北大核心 2022年第5期15-29,共15页

电弧等离子体因其高温、高能量密度、高活性等特点广泛应用于冶金、化工、能源环保以及航空航天等领域。目前,产生电弧等离子体主要采用直流或交流电源等驱动方式。由于交流电弧等离子体技术与其他方式相比,具有较低的装备开发与运行成... 电弧等离子体因其高温、高能量密度、高活性等特点广泛应用于冶金、化工、能源环保以及航空航天等领域。目前,产生电弧等离子体主要采用直流或交流电源等驱动方式。由于交流电弧等离子体技术与其他方式相比,具有较低的装备开发与运行成本、较长的电极使用寿命以及较高的热效率等优势,在工业应用领域具有广泛的应用前景。本文综述了国内外多家研究机构在交流电弧等离子体技术和装备开发以及工业应用方面的最新研究进展,详细阐述了不同类型交流电弧等离子体炬的结构特点、电弧特性及其影响因素以及不同电极材料的烧蚀特性,同时,对于交流电弧等离子体炬在碳纳米材料的制备以及固体废弃物的热处理等方面的应用情况进行了详细的阐述,获得了不同类型交流电弧等离子体炬的工作特性和应用效果。 展开更多

关键词 交流电源 电弧特性 电极烧蚀 等离子体炬 固废处理 研究进展

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CO_(2)电弧加热器电热特性研究

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作者 欧东斌 杨国铭 +3 位作者 朱兴营 文鹏 张智 曾徽 《实验流体力学》 北大核心 2025年第3期71-78,共8页

在300 kW管式电弧加热器上,通过试验测定了CO_(2)介质和空气介质条件下的伏安特性和热效率数据。基于相似参数进行回归分析,得到了可同时应用于CO_(2)介质和空气介质的电热特性关系式,并与国外类似电弧加热器进行了比较。研究结果表明:C... 在300 kW管式电弧加热器上,通过试验测定了CO_(2)介质和空气介质条件下的伏安特性和热效率数据。基于相似参数进行回归分析,得到了可同时应用于CO_(2)介质和空气介质的电热特性关系式,并与国外类似电弧加热器进行了比较。研究结果表明:CO_(2)介质与空气介质条件下的电弧加热器电热特性相似,在输入相同参数(电弧电流、气体质量流量)下,CO_(2)介质条件下的弧室总压比空气介质平均低18%,但电弧电压、焓值和热效率分别高5.9%、6.7%和10.9%;通过统一关系式得到的数据与试验数据一致性较好,伏安特性和热效率回归误差分别为-13%~11.4%和-33.0%~34.7%。 展开更多

关键词 CO_(2) 电弧加热器 伏安特性 热效率 相似理论

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基于Ar发射光谱的感应等离子体球化高温流场温度测量研究 被引量：4

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作者 曾徽 欧东斌 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2020年第6期1685-1689,共5页

感应等离子体可通过纯净、热等离子体的焦耳加热作用,实现不规则粉末颗粒的球化,感应等离子体球化在航空航天领域具有广阔的应用前景。气流温度是感应等离子体球化制粉的关键参数,等离子体发生器内高温流场温度的空间分布测量为感应等... 感应等离子体可通过纯净、热等离子体的焦耳加热作用,实现不规则粉末颗粒的球化,感应等离子体球化在航空航天领域具有广阔的应用前景。气流温度是感应等离子体球化制粉的关键参数,等离子体发生器内高温流场温度的空间分布测量为感应等离子体制粉研究和相关工艺改进优化提供了定量依据。在传统接触式测量手段难以应用于感应等离子体高温流场测量的背景下,该研究发展了非接触式的发射光谱诊断技术,开展对100kW高频感应等离子体发生器制备球形钛粉过程中高温等离子体气流的诊断。通过测量氩气(Ar)在高温下的发射光谱谱线,结合电动位移扫描技术,获得了等离子体发生器内某一截面温度的径向空间分布。研究结果表明:感应等离子体发生器内径向气流温度的变化呈现马鞍形的变化趋势,不送粉条件下高温流场待测横截面的中心位置有一个低温区,温度在(10120±240)K,气流最大温度值的区域位于测量横截面圆心的两侧,靠近趋肤层的位置,两侧最大温度值分别为(10500±240)和(10620±240)K;相比于不送粉条件,送入钛粉后感应等离子体发生器内高温流场内温度出现明显变化,钛粉送入区域下方出现一个明显的倒三角的低温区,送粉与不送粉下圆心低温区的温差在500 K左右,趋肤层最大温度区的温差在400 K左右,显示了颗粒送入被加热的过程中,附近气流温度也随之出现下降。发展的测量技术为定量了解感应等离子体球化流场温度二维空间分布提供了成熟的非接触式光谱测试手段。 展开更多

关键词 发射光谱 感应等离子体 温度测量

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基于吸收/发射光谱的火星进入地面模拟流场特性研究

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作者 曾徽 文鹏 +2 位作者 杨国铭 朱兴营 欧东斌 《实验流体力学》 北大核心 2025年第2期15-22,共8页

火星进入器与地球返回器面临的热环境有很大不同。利用电弧风洞模拟火星进入器气动加热环境,进行防热系统设计是火星进入器研制的关键环节。利用发射光谱和激光吸收光谱诊断技术,开展了模拟火星大气进入地面试验流场下CO_(2)介质的辐射... 火星进入器与地球返回器面临的热环境有很大不同。利用电弧风洞模拟火星进入器气动加热环境,进行防热系统设计是火星进入器研制的关键环节。利用发射光谱和激光吸收光谱诊断技术,开展了模拟火星大气进入地面试验流场下CO_(2)介质的辐射特性和流场参数的在线测量研究,获得了CO_(2)等离子体电子激发温度、喷管出口自由流静温和关键组分CO摩尔浓度的实时测量结果。发射光谱和激光吸收光谱测量结果表明,电弧加热器具有非常好的长时间稳定运行能力和气流参数重复模拟能力。本文发展的光谱诊断技术可为火星进入器气动热环境流场特性等方面的研究提供有效测量手段。 展开更多

关键词 火星进入地面模拟 电弧加热器 发射光谱 中红外吸收光谱 气流温度 组分浓度

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电弧加热高温磁流体发电地面试验研究 被引量：5

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作者 欧东斌 曾徽 +5 位作者 杨国铭 朱安文 刘飞标 王铸 彭燕 刘保林 《实验流体力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第5期42-48,共7页

针对航天器未来空间飞行任务对大功率电源的迫切需求,开展了基于电弧加热的高温气体磁流体(MHD)发电地面试验研究。利用长分段电弧加热器加热氩气试验工质,模拟MHD发电所需的温度和压力条件,通过注入铯种子的方式提高试验工质的电导率,... 针对航天器未来空间飞行任务对大功率电源的迫切需求,开展了基于电弧加热的高温气体磁流体(MHD)发电地面试验研究。利用长分段电弧加热器加热氩气试验工质,模拟MHD发电所需的温度和压力条件,通过注入铯种子的方式提高试验工质的电导率,成功进行了直通式和盘式MHD发电地面试验:在磁场强度1T试验条件下,直通式发电机最大输出发电功率达到196W;在磁场强度7T试验条件下,盘式发电机最大输出发电功率达到10.5kW。本研究工作验证了磁流体发电技术的前景,为更高功率的磁流体发电机研究及空间应用奠定了基础。 展开更多

关键词 磁流体发电 直通式MHD发电机 盘式MHD发电机 长分段电弧加热器 发射光谱

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基于原子发射光谱的中低焓电弧加热器漏水故障诊断 被引量：2

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作者 林鑫 曾徽 +3 位作者 彭锦龙 欧东斌 李飞 余西龙 《实验流体力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第5期81-86,共6页

电弧加热器试验中存在电极局部烧穿漏水导致电弧加热器严重烧损的风险,对漏水故障的快速诊断可大大提升电弧加热器的运行安全性。由于电弧加热器内高温气流的恶劣环境,漏水故障诊断技术匮乏。针对总焓范围2~12MJ/kg的中低焓电弧加热器,... 电弧加热器试验中存在电极局部烧穿漏水导致电弧加热器严重烧损的风险,对漏水故障的快速诊断可大大提升电弧加热器的运行安全性。由于电弧加热器内高温气流的恶劣环境,漏水故障诊断技术匮乏。针对总焓范围2~12MJ/kg的中低焓电弧加热器,提出一种基于原子发射光谱的漏水故障诊断技术。通过分析中低焓电弧加热器漏水故障条件和正常运行下高温流场的发射光谱特性,选择氧原子777.19nm发射谱线为目标谱线,采用相对强度的处理方法,实时监测该中低焓电弧加热器是否发生漏水故障。试验获得了总焓H0分别为11.6和9.8MJ/kg共2组工况下氧原子相对辐射强度的变化规律,结合电极烧蚀图像分析,证明该技术应用于中低焓电弧加热器漏水故障诊断具有较强的发展潜力。最后,提出该技术在单轨道-多焓值状态气动热试验条件下,每个状态均保证较高灵敏度的解决方案。 展开更多

关键词 总焓 电弧加热器 氧原子 发射光谱 漏水诊断

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发射光谱诊断电弧加热器漏水故障的试验研究 被引量：2

8

作者 林鑫 陈连忠 +3 位作者 董永晖 欧东斌 李飞 余西龙 《实验流体力学》 CAS CSCD 北大核心 2016年第4期14-19,共6页

电弧加热器是飞行器热防护系统地面考核试验的首选设备。电弧加热器在运行时,由于其电极工作在高温环境,普遍采用高压水进行冷却,试验中存在着由于电极烧穿漏水导致加热器严重烧损的风险。由于高温气流的恶劣环境,目前尚无有效监测手段... 电弧加热器是飞行器热防护系统地面考核试验的首选设备。电弧加热器在运行时,由于其电极工作在高温环境,普遍采用高压水进行冷却,试验中存在着由于电极烧穿漏水导致加热器严重烧损的风险。由于高温气流的恶劣环境,目前尚无有效监测手段。本文作者建立一套以氢原子Hα（656.28nm）和氧原子（777.19nm）发射谱线作为目标谱线的发射光谱监测系统,通过分析电弧加热器故障条件和正常运行下高温流场中的发射光谱特性,诊断某高焓电弧加热器因烧蚀出现的电极漏水故障,并在考虑温度误差的前提下对该光谱测量系统测量灵敏度进行评估,获得了A、B两种试验状态下的漏水探测极限：A状态下约为1.85~0.94g/s;B状态下,2.12~0.98g/s。试验结果表明,发射光谱应用于电弧加热器漏水故障诊断是切实可行的。 展开更多

关键词 电弧加热器 氢原子 氧原子 发射光谱 漏水检测

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高温含水气流条件下燃烧室材料考核的电弧加热试验模拟方法 被引量：1

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作者 涂建强 陈连忠 许考 《实验流体力学》 CAS CSCD 北大核心 2015年第4期81-87,共7页

在燃烧室的内流热环境下，燃烧室壁面的部分防热材料（如 C／SiC 或超高温陶瓷）与碳氢燃料燃烧产物水蒸气发生的氧化反应速率比与空气中的氧气还要快。水蒸气的存在加剧了防热材料的氧化。另外，水蒸气还能与材料表面玻璃状的 SiO2保... 在燃烧室的内流热环境下，燃烧室壁面的部分防热材料（如 C／SiC 或超高温陶瓷）与碳氢燃料燃烧产物水蒸气发生的氧化反应速率比与空气中的氧气还要快。水蒸气的存在加剧了防热材料的氧化。另外，水蒸气还能与材料表面玻璃状的 SiO2保护层发生挥发性的化学反应，破坏了 SiO2保护层。这些因素对燃烧室防热材料的防热效果有明显的影响。本文采用等离子电弧加热矩形湍流导管试验方法模拟超燃冲压发动机燃烧室的内流热环境，并在试验喷管前的混合稳压室内横向喷射4％～5％的常温水与高温气体混合，模拟燃烧室内水蒸气的组份、浓度和温度，采用数值计算的方法分析混合稳压室内水与高温气体的掺混程度，研究含水的高温气体的总温（总焓）计算方法。 展开更多

关键词 燃烧室 高温含水气流 氧化反应 电弧加热器 湍流导管

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电弧加热器高温流场激光吸收光谱诊断 被引量：6

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作者 曾徽 陈连忠 +2 位作者 林鑫 欧东斌 董永辉 《实验流体力学》 CSCD 北大核心 2017年第4期28-33,共6页

气流温度和组分粒子数密度是定量评估电弧加热器运行参数和流场品质的关键,常规测试手段难以适应电弧加热器内高温气流的恶劣环境,电弧加热器等离子体气流诊断研究一直缺乏有效手段。本研究应用激光吸收光谱技术,选用原子O(777.19nm)谱... 气流温度和组分粒子数密度是定量评估电弧加热器运行参数和流场品质的关键,常规测试手段难以适应电弧加热器内高温气流的恶劣环境,电弧加热器等离子体气流诊断研究一直缺乏有效手段。本研究应用激光吸收光谱技术,选用原子O(777.19nm)谱线,基于局部热化学平衡等离子体假设,对电弧加热器内高温离解空气(>5000K)试验气流进行在线诊断。试验测得了总焓H0=15.8,17.4MJ/kg 2组工况下,电弧加热器内等离子体气流温度和原子O粒子数密度。2组工况获得平均气流温度分别为5843和6047K,对应高温平衡气流表获得气流温度为5950和6335K。测得加热器运行稳定后2组工况的原子O总粒子数密度在(1.1~1.2)×1018cm-3之间,低能级5S02粒子数密度在(1.0~1.6)×1010cm-3之间,2组工况原子O总粒子数密度的差异与NASA-CEA平衡计算结果一致,验证了电弧加热器气流局部热力学平衡假设的有效性。本研究工作验证了激光吸收光谱技术可作为高焓电弧加热器常规诊断手段。 展开更多

关键词 激光吸收光谱 电弧加热器 等离子体流场诊断 原子氧粒子密度 气流温度

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火星进入流场特性中红外吸收光谱诊断研究

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作者 曾徽 文鹏 +2 位作者 杨国铭 朱兴营 欧东斌 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2024年第5期1277-1282,共6页

火星探索项目是我国深空探测工程的重要组成部分,“天问一号”2021年成功着陆火星,是中国航天在火星探索研究迈出的一大步。火星大气的气氛主要以二氧化碳为主,表面气压远低于地球大气,由于大气成分和进入轨道的差异,火星进入器面临的... 火星探索项目是我国深空探测工程的重要组成部分,“天问一号”2021年成功着陆火星,是中国航天在火星探索研究迈出的一大步。火星大气的气氛主要以二氧化碳为主,表面气压远低于地球大气,由于大气成分和进入轨道的差异,火星进入器面临的热环境同地球返回器有很大不同,其进入过程为非空气介质的高速流动,将产生严重的气动防热问题。利用电弧风洞模拟火星进入器气动加热环境,是开展火星探测防热系统设计的关键。电弧风洞模拟火星进入高温过程,其主要过程是CO_(2)主导的离解反应,并且CO等高温离解组分与火星进入器防热材料相互作用,产生的催化效应会显著影响气动热环境。利用中红外量子级联激光吸收光谱测量技术,开展电弧加热火星进入流场特性的在线定量研究。电弧加热在线诊断研究利用CO在4.5μm附近中心波长为2212.625 cm^(-1)(v″=0,R(19))的谱线,实现了对火星地面流场的高信噪比测量,采用单线-直接吸收光谱诊断技术获得了自由流静温和关键组分CO摩尔浓度的实时测量结果。典型状态下,火星进入流场自由流静温和CO摩尔组分浓度在整个运行时间内保持稳定,显示出电弧加热流场良好的稳定性。六组重复试验显示自由流静温和CO摩尔组分浓度分别在(1757±69)K和(0.189±0.027)范围内,自由流温度波动≤3.9%,CO组分浓度波动≤14.3%,证明电弧风洞建立的火星地面流场具有非常好的重复性。基于该研究发展的电弧风洞中红外激光吸收光谱诊断技术,可以为研究火星进入器气动热环境和防热材料烧蚀-催化特性提供精细化测量能力。 展开更多

关键词 火星进入 电弧风洞 中红外激光吸收光谱 气流温度 组分浓度

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柔性热防护系统及相关热考核试验 被引量：2

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作者 张友华 陈智铭 +2 位作者 陈连忠 陈海群 谢旭 《宇航材料工艺》 CAS CSCD 北大核心 2016年第1期27-36,共10页

柔性热防护系统为高超声速充气气动减速器的防热需求而发展,主要为大质量地球再入及未来火星的进入、下降和着陆系统的防热而研发。本文介绍了美国针对高超声速充气气动减速器已经进行和正在策划的飞行试验情况以及火星进入、下降和着... 柔性热防护系统为高超声速充气气动减速器的防热需求而发展,主要为大质量地球再入及未来火星的进入、下降和着陆系统的防热而研发。本文介绍了美国针对高超声速充气气动减速器已经进行和正在策划的飞行试验情况以及火星进入、下降和着陆系统对柔性热防护系统的使用热环境需求。对柔性热防护系统的基本组成进行了介绍,详细描述柔性热防护系统的相关热考核试验。 展开更多

关键词 柔性热防护系统 高超声速充气气动减速器 热考核试验

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保形烧蚀材料及相关气动热试验 被引量：1

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作者 张友华 陈智铭 +2 位作者 陈连忠 陈海群 谢旭 《宇航材料工艺》 CAS CSCD 北大核心 2016年第1期18-26,共9页

保形烧蚀材料基于酚醛浸碳烧蚀材料而发展,主要为未来火星的进入、下降和着陆系统的防热而研发。本文简要回顾了酚醛浸碳烧蚀材料的发展及运用,对保形烧蚀材料的应用需求进行了介绍,主要描述了保形烧蚀材料的定义、研制过程及相关气动... 保形烧蚀材料基于酚醛浸碳烧蚀材料而发展,主要为未来火星的进入、下降和着陆系统的防热而研发。本文简要回顾了酚醛浸碳烧蚀材料的发展及运用,对保形烧蚀材料的应用需求进行了介绍,主要描述了保形烧蚀材料的定义、研制过程及相关气动热试验。 展开更多

关键词 保形 烧蚀材料 气动热试验

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磁流体动力加速风洞技术发展分析 被引量：1

14

作者 左光 齐玢 欧东斌 《航天返回与遥感》 CSCD 2018年第6期1-11,共11页

针对高超声速飞行器地面模拟试验需求,传统试验方法难以实现真实气体温度、清洁空气、大尺度、长时间、高马赫数模拟能力,磁流体动力加速风洞提供了全新技术路线。文章归纳了国内外磁流体动力加速风洞研究发展现状,介绍了磁流体动力加... 针对高超声速飞行器地面模拟试验需求,传统试验方法难以实现真实气体温度、清洁空气、大尺度、长时间、高马赫数模拟能力,磁流体动力加速风洞提供了全新技术路线。文章归纳了国内外磁流体动力加速风洞研究发展现状,介绍了磁流体动力加速风洞原理。文章对基于热电离的磁流体动力加速风洞方案进行了论述,采用高频等离子发生器为设备提供加热源,从而避免电极烧损所引起的污染问题,控制气体总温不超过3500K,使气体离子化低于30%,通过两级加速,达到出口马赫数为15的模拟环境。文章进一步分析了磁流体动力加速风洞关键技术问题。超声速气流电离技术方面,核心问题在于超声速气流电离规律与机理以及电离种子注入、电子束电离等关键技术;磁流体动力加速通道设计方面,重点考虑气流密度及磁感应强度等因素的综合影响以及电极设计技术;高超声速模拟测试方面,关键技术包括电磁屏蔽技术、微波干涉仪技术、平面激光诱导荧光技术、高分辨率高性能的光谱测试技术等。最后,提出了磁流体动力加速风洞技术发展建议。 展开更多

关键词 磁流体动力 高超声速 风洞 地面模拟试验 天地往返飞行器

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