等離子體射流從亞音速過渡到超音速狀态的過程
前言：混合直流電流氣水火炬的一些特性，通過對測量得到的等離子體火炬特性進行分析，發現在某些電弧電流和等離子體氣體流量的組合下，産生的等離子體射流在大氣壓力下就開始過渡到超音速狀态。
熱等離子體噴流常被用于涉及熱傳遞和品質傳遞的各個工業領域，如噴塗、焊接、切割、淨化和廢物處理，成功實作這些過程需要了解發生在等離子體發生器内部和出口的基本現象。
這些噴流從亞音速過渡到超音速的過程，這兩個狀态在行為上有很大的不同，主要差別在于環境壓力資訊通過聲速波傳播到電弧室内。
一旦流速達到并超過聲速，火炬内部的流體将不再從外部獲得資訊，噴流出口壓力是以可能與環境壓力不同，并且流動呈現出衆所周知的超音速結構，可以通過改變電弧室與周圍環境之間的壓力差來控制噴流的特性。
方法包括調整等離子體火炬的參數，如等離子體形成氣體的流量、電弧電流或噴嘴幾何形狀，或者降低環境壓力。
對于某些電弧電流和等離子體氣體流量的組合，噴流在大氣壓力下就開始過渡到超音速狀态，使用了帶有氣體水穩定性的直流電弧火炬。
該火炬結合了氣體流和水壁兩種穩定原理，火炬主體包含三個主要部分：陰極氣體穩定部分、水穩定部分和外部陽極。
陰極部分的構造方式與具有氣體穩定的等離子體火炬基本相同，通常使用氩氣作為穩定氣體，該氣體在陰極周圍切向供應，以保護陰極免受水蒸氣的影響，内部噴嘴不僅引導氩氣流動，還将陰極部分與水穩定部分分隔開來。
在水穩定部分，水通過弧室的幾個孔切向供應，離心力和排水系統共同形成一個水渦内的通道，在該通道内點燃電弧。
水穩定部分中等離子體生成的主要原理是從穩定的水渦中蒸發水，加熱和電離蒸汽，此過程由電弧本身控制，取決于電弧所消耗的能量。
然後将加熱和電離的水蒸氣與氩氣混合，等離子體形成氣體的流量不是直接設定的，而是是火炬參數的函數，特别是電弧電流。
增加氩氣流量也導緻壓差增大，并增加排氣速率，等離子體氣體的組成和流量是幾個互相關聯且由電弧本身控制的過程的結果。
陽極由放置在火炬噴嘴後面的水冷旋轉盤表示，由于水蒸氣的氧化性氣氛中的高熱負荷，采用了這種布置。
弧電流在500至600 A之間變化，氩氣流量在22.5至40 slm之間變化，對等離子體噴流行為的分析基于火炬的功率平衡和火炬出口的溫度剖面測量。
通過發射光譜學在距離火炬噴嘴2毫米處測量了溫度剖面，溫度剖面由氫Hβ線和氩離子線得到，火炬出口噴嘴的電位通過高電阻電壓分壓器測量，功率損失通過電極和水穩定系統的冷卻回路的熱量測量來确定。
使用基于能量和品質平衡的簡單方法，從測量到的特性中确定無法測量的産生的等離子體的性質，得到的溫度分布，等離子體中剩餘的氩氣量以及火炬弧室的淨功率被用作初始參數。
計算了等離子體氣體的組成，水蒸氣蒸發速率，等離子體形成氣體的流量，火炬噴射出口的馬赫數以及相應的速度分布。
假設在火炬出口處的壓力是恒定的，并且等于大氣壓力，盡管溫度分布是在距離噴嘴2毫米處測量的，但它們被假設等于噴嘴出口處的溫度。
根據溫度分布，氩氣流量和火炬的能量平衡計算了等離子體中水蒸氣的量，等離子體形成氣體組成的計算是基于插值法，根據不同的Ar/H2O混合物，通過火炬的淨功率和總焓通量來計算。
根據等離子體中氩氣的流量和它在Ar/H2O混合物中的體積百分比，可以計算出産生的等離子體中的水蒸氣量和總等離子體氣體流量。
從溫度分布和在計算等離子體氣體組成的火炬室内耗散的淨功率出發，假設處于LTE狀态下，确定了噴嘴出口的速度分布。
等離子火炬的參數決定了産生的等離子體的性質，由于生成的電弧具有不斷增加的伏安特性，電弧電流對火炬功率、淨功率和生成等離子體的溫度有巨大影響。
結語：随着電流的增加，溫度升高與電弧釋放的焦耳熱量增加有關，氩氣流量對火炬的功率平衡影響微乎其微。
添加氩氣會導緻溫度降低，這種效應與等離子體中氩氣的數量和随之變化的等離子體焓和電導率有關。
添加氩氣不會影響水蒸汽的蒸發率，但會增加氩氣的數量，進而增加總氣體流量，在500 A的電弧電流下，供應氩氣流量對剩餘等離子體中氩氣和總氣體流量的影響。
随着氩氣的供應增加，由于更高的排氣速率，更多的氩氣被排出，但更多的氩氣也保留在等離子體中，較高的等離子體氣流量應該需要更多的能量來加熱，并提供所需的電弧電流，氩氣的低焓降低了等離子體氣體的總焓，使得等離子體内的總能量平衡互相抵消。
計算得到的500 A和600 A的馬赫數分别表示為供應氩氣流量的函數，随着氩氣流量和電弧電流的增加，馬赫數增加。
在等離子火炬中，馬赫數的變化不僅是由于流速的增加，還由于等離子體溫度群組成的變化導緻聲速值的變化，水蒸氣和等離子體溫度的增加導緻聲速值的增加，使得流速在相當高的速度下仍保持亞音速。
