1、高功率直流电弧等离子体流动传热过程的数值模拟燕毹工程工业加热第 33 卷 2004 年第 4 期高功率直流电弧等离子体流动传热过程的数值模拟邹学柏.,郭鸿志.,赵立合.,吕反修 2,陈广超 2,吴祥宇.(1.北京科技大学机械工程学院,北京 100083;2 北京科技大学材料科学与工程学院,北京 100083)摘要:金刚石薄膜在现代工业和军事中具有重要应用价值 ,但是其制备过程中仍然存在着诸多问题,影响了其产业化发展.本文采用数值模拟的方法对影响金刚石薄膜制备的关键因素直流电弧等离子体的流动传热过程进行了研究,获得了等离子体流动与传热过程中的流场分布,温度分布,电离度分布等有关参量的分布状况,为
2、掌握和控制电弧等离子体流动传热过程提供了理论依据和指导.关键词:直流电弧;等离子体;数值模拟;速度分布;温度分布中图分类号:TKI24;TKI7 文献标识码 :A 文章编号:10021639(2004)04001603NumericalSimulationforFlowandHeatTransferProcessofHigh-powerDC-arcPlasmaZOUXuebai,GUOHongzhi,ZHAOLihe,LUFanxiu,CHENGuangchao,WUXiangyu(1SchoolofMechanicalEngineering,USTB,Beijing100083,China;
3、(2SchoolofMaterialsScienceandEngineering,USTB,Beijing100083,China)Abstract:Diamondfilmsplayanimportantrolebothinmodemindustryandmilitaryapplications.Buttherearemanyintractableproblemsinproducingprocess,whichobstructthesedevelopmentsindifferentindustries.Thekeyfactorforproducingprocessofdiamondfilms,
4、flowandheattransferprocessofDCarcplasmaisstudiedbynumericalsimulationinthispaper,Andsomerelatedparameters,suchasvelocitydistributing,temperaturedistributing,ionizationdegreeandSOon,areobtained.ItisimportanttocontrolflowandheattransferprocessofDCarCplasmabytheseparameters.Keywords:DCarc,plasma;numeri
5、calsimulation;velocitydistributing;temperaturedistributing1 前言由于金刚石薄膜具有非常优异的物理性质如高硬度,高室温热导率,高耐磨性以及高的红外透过性等,使得金刚石薄膜在机械加工,航空航天,微电子制造和军事等众多领域具有极其广泛的应用.但是,金刚石薄膜制备中仍然存在质量稳定性难以控制,沉积速率有待进一步提高,沉积系统可靠性差,控制手段不健全等问题_l?,这些问题的存在阻碍了金刚石薄膜制备技术的产业化发展.因此,研究解决金刚石薄膜制备中存在的问题在目前显得十分紧迫和重要.在金刚石薄膜制备中产生的问题绝大部分与制备它的直流电弧等离子体的流
6、动传热状况有关,掌握和控制等离子体的流动传热过程是解决问题的关键.本文运用数值模拟的方法对此进行了研究.2 研究对象和数学模型制备金刚石薄膜用的直流电弧等离子体发生器的结构见图 1,它是北京科技大学功能材料研究所自行研制开发的高功率,半封闭式金刚石薄膜沉积系统,本文以它为研究对象模拟其内部等离子体的流动传热情况.收稿日期:200404 一 l3;修回日期:20040426基金项目:国家 863 计划项目(8637l5-Z3803)作者简介:邹学柏(1977 一),男,湖南人,博士生,主要从事工业炉与等离子体技术的研究.16口阳极图 1 高功率直流电弧等离子体发生器结构简图在对研究对象物理化学过
7、程分析的基础上,现做如下假定:(1)直流电弧等离子体满足局部热力学平衡条件且为定常流动;(2) 直流电弧等离子体各物性参数除密度外仅为温度的函数;(3)阴阳两极及材料壁的气化溅射效应和鞘层效应可以忽略;(4)等离子体粒子间无相对滑移,即各粒子的速度,温度等参量与当地时均速度,温度等参量一致;(5) 等离子体为光学薄 .再以上述假定为基础,为对象建立如下数学模型:(1)连续方程,)9 知)+-7(rprz)一 0热能工程工业加热第 33 卷 2004 年第 4 期(2)动量方程8(rpV,Vz).aVo).a(rpVzV:)一一十一一一岳,.(】 1(】1+警.+一+ 一十y一三_一一(【“(粤
8、)1+()+一一孚嵋+az斋+a,.a.a.(粤】1(粤卜卜.tav0 一】1+(一引一 pVVo+(2)其中:=ZezinfV/xB+一+(3)能量方程.a(rpaVcpr)+.a(rPrCfl3+:aaT,.卜 z,.I,.J斋卜 a(aT 卜州 gI 十】+.(3)(4)状态方程 PapRT(4)(5)电场方程 a2u+警+ 一 o【5)=一 aE=一“(6)(6)自感应磁场方程 Bo=p,oo 胁(7)(7)外加螺线管磁场方程Bz=rio)lnR 瓣 2+2 一(Z-/)lnR2+4丽 R2+(z-1)2l(8)式中各符号的含义见文献3】.3 数值解法将图 1 中选定的计算区域 OAB
9、CDEFGH 划分为l10xl5x20 网格,其中轴线方向 l11 个节点,径线方向 16个节点,切线方向 21 个节点(设将 OABCDEFGH 旋转90 度得到 OA,BCDE,FG,H),在该空间计算区域上对上述数学模型采取有限控制容积进行离散,并采用Patankar.S.V(1980)I 的 SIMPLE 算法进行编程数值计算.计算时的工况和边界条件见表 l,计算所用到的物性数据(比热容 ,导热系数,导电系数,粘度系数)来自Boulos,etal(1994)I 和 Schlitz.L,z(1998)I 的计算数据或实验数据(本文通过线性插值得到).表 1 计算工程与边界条件:电流=15
10、0A,电压=120V,初始温度=350K注:为了.紧凑,表中 P,或表示该变量对 r 或 0 求偏导.4 结果与分析通过计算,得到了高功率直流电弧等离子体发生器内等离子体及周围气体的速度分布,温度分布,电离度分布,离解度分布,能量分布结构以及自感应磁场强度,外加磁场强度,阴阳两极间的电位分布,电流密度分布,电场分布等.限于篇幅,这里选取速度分布,温度分布予以报道.4.1 速度分布图 2 显示了直流电弧等离子体及其周围气体的速度的轴线方向分布情况,图 3,图 4 分别是不同计算截面处其速度“和速度 “沿径线方向的分布情况z/m图 2 速度的分布从图 2 可以看出,直流电弧等离子体及周围气体轴向流
11、动规律是:在阴极附近,电弧及周围其它气体速度上升很快,大约在离阴极端面 2cm 处射流中心轴线速度17燕能工程(工业加热第 33 卷 2004 年第 4 期达到 155.44m/s,之后射流速度又很快降落下来,在 7cm左右(即限束环处) 其下降趋势趋缓,并且速度 u:在 18cm后(大约在阳极管中) 无论沿轴线方向还是径线方向变化都不大,表明此处射流速度 U:变得非常柔和且均匀.图 3 不同截面上速度的分布从图 3 可以看出,直流电弧等离子体及周围气体的速度 U,在上游物理截面上(如 50,60 截面)呈现弧柱中心速度高两侧低的特征,而在下游物理截面上(如 108 截面)则中心速度比两侧的速
12、度低.速度 U,呈现如此变化,是因为在等离子体发生器的上游温度非常高,在温差压力作用下电弧及气流急速往外膨胀但又受到外围冷气流的强烈阻挡所致,并且可以看到在每个截面的外层均存在较大的速度 U,梯度,恰反映了等离子体及其外围气流的相互作用的情况.同时,在等离子体及其外围气流往下运动中,由于阳极管的偏置而使电气径向运动加强,所以在下游两侧的速度 U,反而比中心高.,(网格标号)图 4 不同截而上速度“的分布从图 4 可以看出,每个计算截面上速度 U 沿径向分布呈现山丘形分布,即中心高两侧低最大速度 U 日出现在截面的中央部分,并且不同计算截面上 U 的峰值随着截面位置的变化呈现有规律性的移动即电弧
13、等离子体及其周围气体往下游(阳极出口) 运动中,no 峰值逐渐增大并且有向阳极壁面靠近的趋势.速度 U 呈现如此变化,表明电弧等离子体及其周围气体在等离子体发生器中下游旋转运动18较快,上游旋转较慢,这应当与阳极管中 U,切割轴线方向外加磁场作用逐渐增强有关.4.2 温度分布图 5 是直流电弧等离子体及周围气体的温度在等离子体发生器内的分布情况.从图中可以看出,阴极附近温度上升很快,主要是这里的电场梯度非常大,带电粒子动能大,粒子之间膨胀频繁,通过焦耳加热的形式粒子动能转化成了粒子热能.同时从图 5 还可以看出,阴极附近的径向温度梯度也非常大,这里馈人的常温氩气的冷却作用不可忽视.在图 5 中
14、,二进气口 H2 与 cH4 进气对温度场造成的波动影响也很明显,在温度峰值右下侧形成了一个陡谷.另外,在阳极管中壁面附近温度有所上升,形成了温度高原,表明此处温度除边壁处温度陡降外,其它各处比较均匀.温度的这种分布是与等离子体发生器内复杂的流动情况,气流作用机制,磁场作用机制,能量转换与传递机制等因素密切相关的.图 5 计算域内温度分布的拟彩图05 结论本文针对金刚石薄膜制备中出现的问题,对直流电弧等离子体的流动传热过程进行了数值模拟,重现了等离子体发生器内的电弧等离子体及其周围气体的流动传热过程,得到的速度分布,温度分布,电离度分布等情况对于进一步提出控制电弧等离子体的行为为高质量高速率地
15、沉积金刚石薄膜提供了改进方向和依据.参考文献:【1吕反修 .CVD 金刚石膜的产业化应用与目前存在的问题【J】.新材料产业,2003,l16(7):63.68.【2】宋建华.强电流直流伸展电弧 CVD 法大面积沉积硬质合金一金刚石涂层工具的研究【D】.北京:北京科技大学,2003.【3】SCHLITZLZ.SimulationofGasDynamicsandEicProcessesinHigh.currentArcPlasmas【D】.Wisconsin:UniversityWisconsinMilwaukee,l998.【4】PATANKARSVNumericalHeatTransferandFluidFlow【M】.NewYork:McGrawHil1.1980.【5】BOULOS,FAUCHAIS,PFENDER.ThermalPlasmaFunda.menlandApplicationsR.NewYork:PlenumPress,l994.
