等离子体射流从亚音速过渡到超音速状态的过程
前言：混合直流电流气水火炬的一些特性，通过对测量得到的等离子体火炬特性进行分析，发现在某些电弧电流和等离子体气体流量的组合下，产生的等离子体射流在大气压力下就开始过渡到超音速状态。
热等离子体喷流常被用于涉及热传递和质量传递的各个工业领域，如喷涂、焊接、切割、净化和废物处理，成功实现这些过程需要了解发生在等离子体发生器内部和出口的基本现象。
这些喷流从亚音速过渡到超音速的过程，这两个状态在行为上有很大的不同，主要区别在于环境压力信息通过声速波传播到电弧室内。
一旦流速达到并超过声速，火炬内部的流体将不再从外部获得信息，喷流出口压力因此可能与环境压力不同，并且流动呈现出众所周知的超音速结构，可以通过改变电弧室与周围环境之间的压力差来控制喷流的特性。
方法包括调整等离子体火炬的参数，如等离子体形成气体的流量、电弧电流或喷嘴几何形状，或者降低环境压力。
对于某些电弧电流和等离子体气体流量的组合，喷流在大气压力下就开始过渡到超音速状态，使用了带有气体水稳定性的直流电弧火炬。
该火炬结合了气体流和水壁两种稳定原理，火炬主体包含三个主要部分：阴极气体稳定部分、水稳定部分和外部阳极。
阴极部分的构造方式与具有气体稳定的等离子体火炬基本相同，通常使用氩气作为稳定气体，该气体在阴极周围切向供应，以保护阴极免受水蒸气的影响，内部喷嘴不仅引导氩气流动，还将阴极部分与水稳定部分分隔开来。
在水稳定部分，水通过弧室的几个孔切向供应，离心力和排水系统共同形成一个水涡内的通道，在该通道内点燃电弧。
水稳定部分中等离子体生成的主要原理是从稳定的水涡中蒸发水，加热和电离蒸汽，此过程由电弧本身控制，取决于电弧所消耗的能量。
然后将加热和电离的水蒸气与氩气混合，等离子体形成气体的流量不是直接设置的，而是是火炬参数的函数，特别是电弧电流。
增加氩气流量也导致压差增大，并增加排气速率，等离子体气体的组成和流量是几个相互关联且由电弧本身控制的过程的结果。
阳极由放置在火炬喷嘴后面的水冷旋转盘表示，由于水蒸气的氧化性气氛中的高热负荷，采用了这种布置。
弧电流在500至600 A之间变化，氩气流量在22.5至40 slm之间变化，对等离子体喷流行为的分析基于火炬的功率平衡和火炬出口的温度剖面测量。
通过发射光谱学在距离火炬喷嘴2毫米处测量了温度剖面，温度剖面由氢Hβ线和氩离子线得到，火炬出口喷嘴的电位通过高电阻电压分压器测量，功率损失通过电极和水稳定系统的冷却回路的热量测量来确定。
使用基于能量和质量平衡的简单方法，从测量到的特性中确定无法测量的产生的等离子体的性质，得到的温度分布，等离子体中剩余的氩气量以及火炬弧室的净功率被用作初始参数。
计算了等离子体气体的组成，水蒸气蒸发速率，等离子体形成气体的流量，火炬喷射出口的马赫数以及相应的速度分布。
假设在火炬出口处的压力是恒定的，并且等于大气压力，尽管温度分布是在距离喷嘴2毫米处测量的，但它们被假设等于喷嘴出口处的温度。
根据温度分布，氩气流量和火炬的能量平衡计算了等离子体中水蒸气的量，等离子体形成气体组成的计算是基于插值法，根据不同的Ar/H2O混合物，通过火炬的净功率和总焓通量来计算。
根据等离子体中氩气的流量和它在Ar/H2O混合物中的体积百分比，可以计算出产生的等离子体中的水蒸气量和总等离子体气体流量。
从温度分布和在计算等离子体气体组成的火炬室内耗散的净功率出发，假设处于LTE状态下，确定了喷嘴出口的速度分布。
等离子火炬的参数决定了产生的等离子体的性质，由于生成的电弧具有不断增加的伏安特性，电弧电流对火炬功率、净功率和生成等离子体的温度有巨大影响。
结语：随着电流的增加，温度升高与电弧释放的焦耳热量增加有关，氩气流量对火炬的功率平衡影响微乎其微。
添加氩气会导致温度降低，这种效应与等离子体中氩气的数量和随之变化的等离子体焓和电导率有关。
添加氩气不会影响水蒸汽的蒸发率，但会增加氩气的数量，从而增加总气体流量，在500 A的电弧电流下，供应氩气流量对剩余等离子体中氩气和总气体流量的影响。
随着氩气的供应增加，由于更高的排气速率，更多的氩气被排出，但更多的氩气也保留在等离子体中，较高的等离子体气流量应该需要更多的能量来加热，并提供所需的电弧电流，氩气的低焓降低了等离子体气体的总焓，使得等离子体内的总能量平衡相互抵消。
计算得到的500 A和600 A的马赫数分别表示为供应氩气流量的函数，随着氩气流量和电弧电流的增加，马赫数增加。
在等离子火炬中，马赫数的变化不仅是由于流速的增加，还由于等离子体温度和组成的变化导致声速值的变化，水蒸气和等离子体温度的增加导致声速值的增加，使得流速在相当高的速度下仍保持亚音速。
