Comsol电弧燃烧放电仿真计算

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本文摘要（由AI生成）：

本文基于磁流体动力学（MHD）建立了电弧燃烧放电过程的数学模型，对该模型的边界条件进行了设定并对其进行了网格剖分，最后通过计算得到了电弧放电燃烧的温度场、速度场、电磁场和能量分布。

1-电弧放电

electric arc

电弧是一种气体放电现象，电流通过某些绝缘介质所产生的瞬间火花。电弧是一种自持气体导电，其大多数载流子为一次电子发射所产生的电子。触头金属表面因一次电子发射（比如热离子发射、场致发射或光电发射等）导致电子逸出，间隙中气体原子或分子会因碰撞电离、光电离和热电离等形式而产生电子和离子。另外，电子或离子轰击发射表面又会引起二次电子发射，当间隙中离子浓度足够大时，间隙被电击穿而发生电弧。

电弧等离子体中存在着热场、气流场和电磁场的复杂过程，见图2。各个场之间通过一些相关的物理参数相互耦合。热场和气流场的基本参数为温度、压强和速度。温度和压强的变化会导致电弧气体中动力粘度、电导率等物性参数改变。电弧的热场和电场主要通过焦耳热和电导率进行相互耦合。电导率的变化使得电弧中的电场和电流分布发生变化。从而也引起磁场的改变。电流密度会产生单位体积的焦耳热，是电弧气体的发热源，作为源项直接参与了电弧能量方程的计算。磁场引起的洛伦兹力会对电弧气体气流场产生作用，并作为体积力直接参与动量方程计算，实现了磁场和气流场的耦合。

图1. 电弧放电

图2. 电弧等离子体的物理过程

electric arc

2-模型简介

electric arc

基于磁流体动力学（MHD）建立电弧燃烧放电过程的数学模型。由于电弧等离子体的运动是一个复杂的物理过程，仿真计算要基于如下假设：（1）假设电弧始终处于局部热力学平衡状态。（2）由于鞘层对于热场和气流场的影响很小，因此忽略电弧鞘层的影响。（3）仿真计算从电弧稳定燃烧开始，忽略起弧过程。电弧等离子体一般被视为一种带电的流体，会受到电磁力的作用，仿真中要对流体与电磁场的方程耦合求解。利用由质量、动量和能量守恒定律推导的流体微分方程。搭建了一个二维轴对称电弧几何模型，建立和求解电弧燃烧放电过程的电磁-传热-流体耦合方程。具体计算模型和材料参数设置如图3和4所示。