电弧等离子体由于具有高温、高焓、高化学活性等优点而获得了广泛的应用,但其体积小、能量高度集中、参数梯度大等特点制约了它在化学沉积、材料制备等领域的发展,这些领域迫切需要一种体积大、参数梯度小的热等离子体,以提高生产效率、改善产品质量。本文提出了利用磁旋转分散电弧产生大体积均匀等离子体的研究思路,设计制作了一套磁旋转电弧发生器装置。该发生器由80mm内径的管形石墨阳极与棒状石墨阴极组成,外磁场则由绕制在阳极外壁上的螺线管线圈产生。试验结果表明,利用强外磁场高速旋转的方法可以有效地促进收缩电弧分散。在完全分散状态下,弧室截面上的等离子体光强分布趋于均匀,电弧电压的波动幅度显著降低。利用高速CCD与ICCD连续拍摄了弧室截面上的电弧图像,发现了磁旋转电弧分散发展过程中的多种电弧形态:不断发展的螺旋结构、并联电弧、多阴极弧根、扩散型电弧根、完全扩散的电弧等离子体等。利用电弧图像与电弧电压、电流信号的同步采集,分析了电弧分散过程中的动态特性,研究了外磁场、电弧电流、工质气流量、电极热状况等对电弧形态、电压特性、弧根附着状态等的影响,对并联电弧的稳定、破裂等给出了定性分析。以商用CFD软件FLUENT为平台,开发并验证了模拟热电弧传热与流动的计算程序,进而对三种不同条件下的磁作用电弧等离子体进行了二维数值模拟研究:(1)数值研究了轴向外磁场、工质进气速度对完全分散电弧等离子体中传热与流动规律的影响。外磁场高速旋转电弧引起的离心力促使等离子体从发生器中轴线附近向阳极壁转移,引起该区域的压力降低,发生器喷口外的环境气体回流进入发生器内,电弧等离子体在轴向上回缩,而在径向上扩张。这种独特的分布形状是在喷口外拍摄磁旋转电弧等离子体时,其光强分布比较均匀的根本原因。(2)数值研究了发生器喷口外是空气环境时,空气回流对磁旋转氩电弧等离子体特性的影响。空气混合极大地提高了电弧电压,而进口氩气流量的增加可以有效地抑制空气回流,因而在发生器内,电弧电压反而是随着氩气流量的增加而降低的,与实验测量结果定性相符。(3)数值研究了磁控焊接电弧中的传热与流动规律。磁控电弧表现为中空钟罩形状,其阳极表面的温度、压力、电流密度呈现双峰分布。磁作用后,电弧加热阳极的范围更大,传递给阳极的热量也增强。然而,利用强外磁场并不能无限制地径向扩张电弧,外磁场强度超过临界值后,会转而引起电弧径向压缩。实验和数值模拟研究表明:由于高速旋转,电弧等离子体产生了强烈的周向与径向流动,促使电弧等离子体在周向与径向上分散,从而产生了大体积、参数相对均匀的等离子体,并维持其稳定。