ANSYS高功率等离子体发生器的多物理场耦合分析(3)
最后改变模型的几何尺寸，包括导电金属环的长度，等离子体气态状的直径和金属环的间距，分析结构的变化对等离子体中电流分布的影响，找出其规律性，为等离子体发生器的设计提供参考。
2 计算模型与理论
电热化学系统中，电容储能脉冲成形网络与消融毛细管等离子发生器是两个非常重要的部分，其中脉冲成形网络用来存储初始电能并通过调节脉冲电流波形满足等离子体发生器的需要，等离子体发生器用来产生持续的等离子体，并使之与发射药混合，点燃发射药。
2.1 等离子体发生器模型
2.1.1 脉冲成形网络
脉冲成形网络(Pulsed Forming Networks，PFN)是电热电磁发射系统中控制能量储存、波形调整、电能释放的重要部分，根据能量贮存和变换的方式不同，有电容储能、电感储能、补偿脉冲发电机、磁通压缩发生器等，其中电热化学发射系统应用比较广泛的是电容储能方式。电热化学发射系统中，脉冲成形网络用来存储初始电能并通过调节脉冲电流波形满足等离子体发生器的需要。
等离子体发生器使用的是程控化脉冲电源，这是一种具有模块化结构、分布式测控的系统，其脉冲成形网络部分包括四个模块，每个模块都包含有电容器组，触发真空开关，高压快速硅堆和调波电感器，并通过同轴电缆输出。脉冲成形网络模块都能够独立工作并可以通过程序控制触发真空开关的触发导通来实现同步或时序放电，输出幅值和脉宽均可调节的脉冲电流波形，以满足等离子体发生器研究所要求的脉冲功率波形。
大电流快速放电中等离子体负载的形成及随电流的变化是非常复杂的，等离子体发生器产生的低温高密度部分电离等离子体耦合在一起并随时间变化。在电爆炸阶段负载电阻电流随时间的变化曲线。此阶段的负载主要为相变的起爆丝，在起爆丝气化前，电阻很小，而且存在着两个台阶，分别对应着固态吸热和液态吸热情况，这个阶段的电流基本为直线上升。起爆丝气化时，导电性下降，阻值急剧上升，相应的电流也略有降低。随着起爆丝形成金属等离子体，离子的电弧通道产生，阻值再一次减小，电流也随之再次上升。着等离子体射流的喷出，温度逐渐降低，电导率减小，负载也逐渐增大，直到最后形成普通高温气体。为简化计算模型，假设电流的加载是均匀的，不受等离子体负载变化的影响[10-11]。
2.1.2 等离子体发生器
等离子体发生器用来产生等离子体射流以点燃发射药，由毛细管中的金属丝爆炸或消融控制电弧产生。电热化学发射用的消融放电毛纲管的长度通常在几个厘米到十几厘米之间，内径仅为几个毫米。管壁通常采用轻质塑料如聚乙烯等易烧蚀材料制成，如图2.1所示。
图2.1 等离子体发生器计算模型图
最外层的是点火管，上面有孔洞且封闭的，当内部压力达到一定值时，薄膜破裂。中心杆用来传导电流，其一端是阳极，另一端与套在聚乙烯管上的金属环相连。金属环上焊有金属丝，用做电爆炸产生等离子体，然后烧蚀塑料管产生更多的等离子体。金属环的作用是在形成等离子体电弧是稳定电流，用铜做成。外部电路就是脉冲成形网络(PFN)，为毛细管放电提供电能。当两极加上脉冲高电压，金属爆炸丝由于通过大电流而爆炸，引起极间击穿，形成烧蚀电弧，消融聚乙烯管壁材料，并加热使之成为等离子体。随着毛细管内温度和压力的升高，当达到一定压力后，等离子体冲破薄膜，通过孔道向药室喷射[8]。
电弧等离子体中往往有大电流通过，与电流通过电阻器一样电流在电弧等离子体中要产生大量的焦耳热。通常利用对器壁进行冷却的方法来控制并稳定电弧的运动，但当压强和电流增大时，器壁及时冷却的难度也随之增大。所以，这类电弧的温度和电离度的提高会受到限制。为了控制和稳定毛细管内的高压电弧，易消融的材料被用来制作毛细管放电的器壁。利用器壁材料的消融烧蚀过程来冷却电弧，这样的电弧称作消融控制电弧。消融控制电弧是一种特殊的对流冷却电弧，毛细管绝缘壁受到来自电弧区的热流的加热并消融，产生的消融蒸汽继续被加热，形成新的等离子体，补充由于毛细管开口端喷射而带来的质量损失。