熱等離子體傳熱與流動(dòng)

前言

熱等離子體技術(shù)已經(jīng)得到相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。由于熱等離子體條件下重粒子溫度與電子溫度均高達(dá)萬度量級(jí)，傳熱與流動(dòng)往往是熱等離子體在許多技術(shù)應(yīng)用中必須關(guān)注的重要問題。熱等離子體條件下的傳熱與流動(dòng)有許多特點(diǎn)不同于普通氣體。熱等離子體發(fā)生器中的傳熱與流動(dòng)和電磁場相互耦合，大溫差導(dǎo)致氣體的熱物理性質(zhì)有大幅度的變化，氣體電離度在空間顯著變化導(dǎo)致電離一復(fù)合反應(yīng)參與能量輸運(yùn)過程，與等離子體接觸的物體（如原料顆粒）會(huì)因電子與離子質(zhì)量間的巨大差異而帶電等，都是一些顯而易見的特點(diǎn)。這些特點(diǎn)使熱等離子體條件下的傳熱與流動(dòng)具有比常溫氣體條件下更為豐富的物理內(nèi)容，并且可以得出許多和常溫氣體條件下不相同或不完全相同的結(jié)果。例如，當(dāng)其他條件相同時(shí)，流動(dòng)等離子體中導(dǎo)電良好的金屬球形顆粒和不導(dǎo)電的非金屬球形顆粒的傳熱率、阻力與熱泳力可以不同，就是普通傳熱學(xué)與普通流體力學(xué)中未曾遇見過的現(xiàn)象。同時(shí)，熱等離子體條件下的傳熱與流動(dòng)研究也比常溫氣體條件下困難，實(shí)驗(yàn)研究中不可避免地要采用適用于高溫環(huán)境的測試技術(shù)，理論研究中則往往需要考慮氣體的熱物理性質(zhì)隨溫度的大幅度變化，考慮電離氣體流動(dòng)與傳熱和電磁場相互耦合等復(fù)雜因素，從而不得不更多地依靠對(duì)有關(guān)方程式進(jìn)行數(shù)值解，即進(jìn)行數(shù)值模擬研究。著者1993年由科學(xué)出版社出版了《高溫電離氣體的傳熱與流動(dòng)》一書，以常見的電弧或高頻感應(yīng)耦合熱等離子體發(fā)生器與反應(yīng)器以及等離子體射流中的傳熱與流動(dòng)為基本線索，論述溫度為萬度量級(jí)的熱等離子體或高溫部分電離氣體條件下的傳熱與流動(dòng)特性，試圖比較系統(tǒng)地總結(jié)有關(guān)的研究進(jìn)展，特別是論述那些與普通傳熱學(xué)或普通流體力學(xué)中不相同或不完全相同的結(jié)果。本書是《高溫電離氣體的傳熱與流動(dòng)》一書的修訂補(bǔ)充版，并將書名改為更為貼切的“熱等離子體傳熱與流動(dòng)”。本書著重補(bǔ)充了近十幾年來新得到的一些重要研究結(jié)果，包括著者及其合作者所取得的研究結(jié)果，并根據(jù)新的研究結(jié)果對(duì)原書中的一些內(nèi)容做了修訂，如更正了自由分子流區(qū)顆粒阻力與熱泳力分析中有關(guān)表面壓力的推導(dǎo)等。書中還提到一些至今研究得不夠深入或者連物理現(xiàn)象都還不太清楚的問題，對(duì)于這樣一個(gè)物理現(xiàn)象紛繁復(fù)雜的研究領(lǐng)域而言是不足為怪的，這也是目前研究活動(dòng)仍然方興未艾的原之一。

內(nèi)容概要

本書是一本系統(tǒng)論述溫度約一萬度的熱等離子體條件下傳熱與流動(dòng)問題的專著，著重論述熱等離子體條件下傳熱與流動(dòng)的特點(diǎn)、處理方法與現(xiàn)有的研究成果，特別是那些與普通傳熱學(xué)或普通流體力學(xué)中不相同或不完全相同的結(jié)果。 　　全書共分為引論、熱等離子體、基本方程式、熱等離子體中顆粒的受力、熱等離子體中顆粒的傳熱、通道電弧及等離子體發(fā)生器中的傳熱與流動(dòng)、等離子體射流及反應(yīng)器中的傳熱與流動(dòng)、其他等離子體傳熱與流動(dòng)問題等八章，每章末尾均列有大量的參考文獻(xiàn)，書末的附錄中給出了實(shí)際計(jì)算中常用的物理常數(shù)、函數(shù)、典型等離子體的成分組成、熱力學(xué)性質(zhì)與輸運(yùn)性質(zhì)。 　　本書是1993年由科學(xué)出版社出版的《高溫電離氣體的傳熱與流動(dòng)》一書的修訂補(bǔ)充版，著重補(bǔ)充了近十幾年來新得到的一些重要研究結(jié)果，并根據(jù)新的研究結(jié)果對(duì)原書中的一些內(nèi)容做了修訂。 　　本書可供工程熱物理以及航天航空、材料、機(jī)械、冶金、化工等部門從事熱等離子體科學(xué)與技術(shù)工作的科研與教學(xué)人員使用，也可作為相關(guān)專業(yè)研究生的參考教材。

書籍目錄

前言主要符號(hào)表第1章 引論  1.1 熱等離子體傳熱與流動(dòng)研究的應(yīng)用背景  1.2 典型的熱等離子體技術(shù)應(yīng)用中的傳熱與流動(dòng)問題  1.3 熱等離子體條件下傳熱與流動(dòng)的特點(diǎn)  1.4 本書的內(nèi)容安排  參考文獻(xiàn)第2章 熱等離子體  2.1 熱等離子體的產(chǎn)生    2.1.1 電弧等離子體發(fā)生器    2.1.2 高頻熱等離子體發(fā)生器  2.2 熱等離子體中的碰撞過程  2.3 熱等離子體中的輻射過程  2.4 熱等離子體的熱力學(xué)狀態(tài)    2.4.1 完全熱力學(xué)平衡    2.4.2 局域熱力學(xué)平衡    2.4.3 雙溫度等離子體  2.5 熱等離子體的特征參量    2.5.1 Debye長度    2.5.2 等離子體頻率一響應(yīng)時(shí)間    2.5.3 回旋頻率與Larmot半徑  2.6 熱等離子體的成分組成、熱力學(xué)性質(zhì)與輸運(yùn)性質(zhì)    2.6.1 局域熱力學(xué)平衡等離子體的成分組成    2.6.2 局域熱力學(xué)平衡等離子體的熱力學(xué)性質(zhì)    2.6.3 局域熱力學(xué)平衡等離子體的輸運(yùn)性質(zhì)    2.6.4 雙溫度等離子體的成分組成、熱力學(xué)性質(zhì)與輸運(yùn)性質(zhì)  2.7 熱等離子體及被加工顆粒參數(shù)的測量    2.7.1 測量熱等離子體溫度與速度的光學(xué)方法    2.7.2 靜電探針    2.7.3 量熱探針    2.7.4 飛行顆粒參數(shù)的測量  參考文獻(xiàn)第3章 基本方程式  3.1 引言  3.2 連續(xù)介質(zhì)區(qū)的基本方程式    3.2.1 局域熱力學(xué)平衡等離子體流動(dòng)與傳熱的基本方程式    3.2.2 非局域熱力學(xué)平衡等離子體流動(dòng)與傳熱的基本方程式  3.3 非連續(xù)介質(zhì)區(qū)的基本方程式    3.3.1 近連續(xù)介質(zhì)區(qū)的速度滑移與溫度跳躍邊界條件    3.3.2 自由分子流區(qū)的基本方程式    3.3.3 過渡區(qū)的基本方程式  3.4 電磁場方程式  參考文獻(xiàn)第4章 熱等離子體中顆粒的受力  4.1 引言  4.2 顆粒所受的各種作用力  4.3 連續(xù)介質(zhì)區(qū)顆粒的阻力    4.3.1 現(xiàn)有的顆粒阻力表達(dá)式    4.3.2 有關(guān)顆粒阻力的解析研究與數(shù)值計(jì)算    4.3.3 實(shí)驗(yàn)研究  4.4 過渡區(qū)與滑移區(qū)顆粒的阻力  4.5 自由分子流區(qū)顆粒的阻力    4.5.1 引言    4.5.2 基本假定、粒子通量與顆粒上的浮動(dòng)電位    4.5.3 未蒸發(fā)與蒸發(fā)球形顆粒的阻力    4.5.4 影響顆粒阻力的其他因素  4.6 顆粒所受的熱泳力    4.6.1 引言    4.6.2 過渡區(qū)顆粒上的熱泳力    4.6.3 自由分子流區(qū)顆粒上的熱泳力    參考文獻(xiàn)第5章 熱等離子體中顆粒的傳熱  5.1 引言  5.2 連續(xù)介質(zhì)區(qū)顆粒的傳熱：無對(duì)流情形    5.2.1 向未蒸發(fā)顆粒的定常傳熱    5.2.2 熱邊界層的松弛時(shí)問    5.2.3 向蒸發(fā)（或升華）顆粒的傳熱    5.2.4 顆粒的非定常加熱    5.2.5 從顆粒蒸發(fā)的蒸氣污染等離子體對(duì)傳熱的影響  5.3 連續(xù)介質(zhì)區(qū)顆粒的傳熱：有對(duì)流情形    5.3.1 現(xiàn)有的顆粒傳熱表達(dá)式    5.3.2 現(xiàn)有傳熱表達(dá)式適用性的評(píng)價(jià)    5.3.3 有對(duì)流、無蒸發(fā)顆粒傳熱表達(dá)式的推導(dǎo)    5.3.4 有對(duì)流條件下向蒸發(fā)顆粒的傳熱    5.3.5 等離子體向球傳熱的實(shí)驗(yàn)研究    5.3.6 影響顆粒傳熱的其他復(fù)雜因素  5.4 溫度跳躍區(qū)的傳熱    5.4.1 熱傳導(dǎo)勢跳躍處理方法    5.4.2 Kmldsen數(shù)對(duì)顆粒傳熱的影響：無對(duì)流情形    5.4.3 壓力對(duì)等離子體向顆粒傳熱的影響    5.4.4 有對(duì)流條件下Knudsen數(shù)對(duì)顆粒傳熱的影響    5.4.5 對(duì)熱傳導(dǎo)勢跳躍處理方法的修改  5.5 自由分子流區(qū)的傳熱    5.5.1 引言    5.5.2 分析解結(jié)果：球形顆粒情形    5.5.3 向圓柱體的傳熱    5.5.4 其他復(fù)雜因素  參考文獻(xiàn)第6章 通道電弧及等離子體發(fā)生器中的傳熱與流動(dòng)  6.1 引言  6.2 通道電弧中的傳熱與流動(dòng)    6.2.1 充分發(fā)展電弧    6.2.2 發(fā)展中的電弧    6.2.3 冷氣體噴射對(duì)通道電弧的影響    6.2.4 其他復(fù)雜因素  6.3 直流電弧等離子體發(fā)生器的數(shù)值模擬    6.3.1 直流電弧等離子體發(fā)生器的二維數(shù)值模擬    6.3.2 直流電弧等離子體發(fā)生器的三維數(shù)值模擬    6.3.3 亞聲速一超聲速電弧等離子體發(fā)生器的數(shù)值模擬    6.3.4 電極鞘層的處理    6.3.5 其他復(fù)雜因素  6.4 高頻等離子體發(fā)生器的數(shù)值模擬    6.4.1 準(zhǔn)二維數(shù)值模擬    6.4.2 自洽二維數(shù)值模擬    6.4.3 三維數(shù)值模擬    6.4.4 發(fā)生器中原料顆粒的運(yùn)動(dòng)與加熱  參考文獻(xiàn)第7章 等離子體射流及反應(yīng)器中的傳熱與流動(dòng)  7.1 等離子體射流的傳熱與流動(dòng)    7.1.1 引言    7.1.2 層流等離子體射流    7.1.3 湍流等離子體射流    7.1.4 層流與湍流等離子體射流特性對(duì)比    7.1.5 超聲速等離子體射流    7.1.6 顆粒在等離子體射流中的運(yùn)動(dòng)與加熱    7.1.7 涂層形成與等離子體噴涂的數(shù)值模擬  7.2 等離子體反應(yīng)器中的傳熱與流動(dòng)    7.2.1 反應(yīng)器中流場、溫度場、顆粒運(yùn)動(dòng)與加熱的數(shù)值模擬    7.2.2 顆粒的成核、長大與熱泳沉積    參考文獻(xiàn)第8章 其他等離子體傳熱與流動(dòng)問題  8.1 自由邊界電弧    8.1.1 自由燃燒電弧    8.1.2 氣流穩(wěn)定的電弧    8.1.3 高強(qiáng)度直流電弧的陽極約束區(qū)  8.2 電弧的電極區(qū)    8.2.1 陽極傳熱    8.2.2 陰極過程  8.3 熱等離子體向處于浮動(dòng)電位或具有偏置電位的物體的傳熱  8.4 計(jì)算大溫差變物性條件下傳熱與阻力的參考溫度法    參考文獻(xiàn)附錄1 物理常數(shù)和常用函數(shù)附錄2 等離子體的成分組成附錄3 等離子體的熱力學(xué)與輸運(yùn)性質(zhì)參考文獻(xiàn)內(nèi)容索引

章節(jié)摘錄

插圖：第4章 熱等離子體中顆粒的受力4.1 引言熱等離子體的許多技術(shù)應(yīng)用中都遇到等離子體與顆粒間的相互作用問題。在等離子體噴涂中，原料顆粒以載氣攜帶從側(cè)向（有時(shí)也從軸向）噴射人等離子體射流中，經(jīng)過加熱與加速，以熔融狀態(tài)沖擊在基板或工件上，一片接著一片、一層覆蓋一層地形成所需要的耐高溫、耐磨損或耐腐蝕的涂層。原料顆粒只有能進(jìn)入噴涂槍所產(chǎn)生的等離子體射流的高溫區(qū)，才能得到有效的加熱和加速，這就需要選擇合適的顆粒噴射速度。噴射速度過小，原料顆粒不能進(jìn)人射流的高溫核心區(qū)；噴射速度過大，顆粒又可能穿越高溫核心區(qū)，以上兩種情況下都可能造成顆粒在沖擊基板或工件前未能完全熔化，從而影響材料的沉積率，惡化涂層質(zhì)量。合適的噴射速度數(shù)值與一系列因素有關(guān)，如等離子體發(fā)生器的結(jié)構(gòu)、弧電流、供氣方式、工作氣體種類與流量，等離子體射流中的溫度與速度分布及環(huán)境氣體向射流中的引射，顆粒的材料種類、平均直徑、尺寸分布與顆粒形狀，噴射管位置、載氣流量與噴射方向，等等。由于所涉及的問題的復(fù)雜性，直到目前，合適的噴涂參數(shù)的選擇主要還是依靠經(jīng)驗(yàn)和多次試驗(yàn)并加以比較的辦法進(jìn)行；由于涉及的可變參數(shù)很多，這種試驗(yàn)要進(jìn)行許多次，既費(fèi)時(shí)間又費(fèi)金錢，還未必能找出最優(yōu)的結(jié)果；當(dāng)噴涂條件改變（如顆粒材料或尺寸分布變化）時(shí)，又要重新進(jìn)行試驗(yàn)。

編輯推薦

《熱等離子體傳熱與流動(dòng)》著重補(bǔ)充了近十幾年來新得到的一些重要研究結(jié)果，包括著者及其合作者所取得的研究結(jié)果，并根據(jù)新的研究結(jié)果對(duì)原書中的一些內(nèi)容做了修訂，如更正了自由分子流區(qū)顆粒阻力與熱泳力分析中有關(guān)表面壓力的推導(dǎo)等。書中還提到一些至今研究得不夠深入或者連物理現(xiàn)象都還不太清楚的問題，對(duì)于這樣一個(gè)物理現(xiàn)象紛繁復(fù)雜的研究領(lǐng)域而言是不足為怪的，這也是目前研究活動(dòng)仍然方興未艾的原之一。

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