CC BY
71
Наука и Образование
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Сетевое научное издание
133М 1994-0406 УДК 533.9.15
Численное моделирование плазмодинамических процессов в технологическом ВЧИ-плазмотроне с газовым охлаждением
Гришин Ю. М.1'*, Мяо Л.1 ':уапь11т@ЬтБШ2и
1МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия
Реализована численная модель расчета параметров ВЧИ-плазмотрона с газовым охлаждением. Численное моделирование выполнено в пакете прикладных программ ANSYS CFX (14.5) для одного из конкретных конструктивных вариантов технологического ВЧИ-плазмотрона с трехвитковым индуктором и с амплитудой тока из диапазона =50-170A (частотой 3 МГц). В качестве плазмообразующего газа рассмотрен аргон. Установлено влияние тока разряда на основные термодинамические параметры (давление, температура) и мощность энерговыделения в зоне разряда. Показано, что плазмотрон может обеспечить генерацию плазменного потока с максимальной температурой около 10 кК. Установлено, что для обеспечения нормального теплового состояния кварцевых стенок плазмотрона амплитуда тока разряда не должна превышать 150А. Выявлены особенности распределения поля скорости в канале плазмотрона, а именно, образование в сечении первого витка индуктора тороидального вихревого течения.
Ключевые слова: ВЧИ-плазмотрон, параметры плазмы, структура потока, вихрь
Введение
Безэлектродные высокочастотные индукционные (ВЧИ) плазмотроны нашли широкое применение в различных областях техники, науки и технологии [1]. В настоящее время, в связи с разработкой новых технологий получения особо чистых веществ [2-4], нано-порошков [5, 6], плазмохимических технологий [7] и др., интерес к индукционной плазме стабильно возрастает [8, 9]. Между тем, при реализации конкретных технологий одной из основных проблем является отсутствие надежных методик определения рабочих характеристик плазмотрона, связанных с регулированием и оценкой тепловой мощности струи, пространственного распределения основных параметров потока и т.д. Это вызывает необходимость проведения широкого круга расчетных и экспериментальных исследований, направленных на оптимизацию конструктивных и энергомощностных параметров различных технологических ВЧИ-плазмотронов.
Наука и Образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2016. № 05. С. 104-121.
DOI: 10.7463/0516.0840352
Представлена в редакцию: 14.04.2016 Исправлена: 28.04.2016
© МГТУ им. Н.Э. Баумана
Один из основных вариантов технологического ВЧИ-плазмотрона, предназначенного для получения особо чистого поликристаллического кремния [10], схематично изображен на рис. 1. Плазмотрон (со средней электрической мощностью до 10 кВт) имеет внешний кварцевый цилиндрический канал (поз.5), вокруг которого располагается спираль индуктора (поз.1). Ток в индукторе создается высокочастотным источником электропитания (поз.6). Внешний канал с внутренней стороны охлаждается газовым потоком, поступающим через периферийный щелевой канал (поз.2). Охлаждающий газ совместно с газом, подающимся через коаксиальный канал (поз.3), выполняют функцию плазмообразующего газа. На оси системы расположен цилиндрический канал (поз.4), через который транспортирующим газовым потоком осуществляется ввод в плазму перерабатываемых твердых частиц.
В зависимости от реализуемого технологического процесса в потоке плазмы ВЧИ-плазмотрона должны происходить процессы нагрева или испарения частиц, после чего поток поступает в плазмохимический реактор (поз.8).
Получение данных о газодинамических параметрах, формируемого плазменного потока, тепловом состоянии элементов конструкции и т.д. является необходимым для повышения эффективности того или иного типа технологического процесса.
Рис.1. Схема технического ВЧИ-плазматрона. 1-витки индуктора, 2-периферийный щелевой канал подачи охлаждающего газа с расходом рз, 3-коаксиальный канал подачи плазмообразующего газа с расходом р2, 4-осевой цилиндрический канал подачи транспортирующего газа с расходом р1, 5-внешний кварцевый канал, 6-ВЧИ-источник электропитания, 7-область плазменного потока, 8-плазмохимический реактор.
1. Физико-математическая модель
При формулировки модели считали, что спиральный индуктор может быть представлен как система цилиндрически-симметричных параллельных колец. Течение газа на входе во все каналы плазмотрона является азимутально симметричным и стационарным. Выполнение этих допущений позволяет рассматривать электромагнитные и газодинамические процессы как двухмерные в цилиндрической системе координат г, 2 (2П-модель).
1.1 Уравнения электромагнитного поля
Уравнения Максвелла (без учета тока смещения) были записаны через векторный магнитный потенциал А в виде [11]:
9— —
V А = -моик + УШ1), (1)
где ук- плотность тока в витках катушки индуктора, определяемая параметрами ВЧИ-
источника электропитания, /ин - плотность индукционного тока в плазме (индукционными токами в витках катушки индуктора и в трубке подачи транспортирующего газа можно пренебречь [8]).
В случае, когда ток в катушках индуктора изменяется по синусоидальному закону с частотой с , вектор его плотности может быть представлен в комплексной форме, то есть:
При этом все искомые вектора уин ,А,Е,В так же могут быть записаны в комплексной форме:
Где величины7КС (г] ,7ИНС (г) , Ас[г), Ес [г)иВс [г) являются векторами комплексных
амплитуд соответственно плотности тока в витках катушки индуктора, плотности индукционного тока в плазме, магнитного потенциала, напряженности электрического и магнитного полей, которые зависят только от пространственных координат.
В рамках сделанного допущения о цилиндрической симметрии электромагнитного
поля, когда комплексный вектор плотности тока в витках катушки индуктора /кс (г] имеет только 6-ую компоненту, в выбранной цилиндрической системе координат (г, в, г) векторы комплексных амплитуд Ас [г), Ес (г) и Вс (г) имеют следующие комплексные проекции:
АС{Г) = [О,А0,О), Вс{г) = (ВгЛВ2), ЕС{Г) = (О,Е0,О),
Комплексный вектор плотности индукционного тока в плазме ]1тс (г) так же как и
вектор напряженности электрического поля (Е = —дА/&), имеет только 6-ую компоненту
7ИНС (г) = , которая в соответствии с законом Ома определяется как =
оЕп = отА„ (здесь о -электропроводность плазмы). О и О
2
Предполагая, что ток 3 (г) по поперечному сечению па витка катушки индуктора
к
2
распределен равномерно, плотность тока может быть рассчитана как]кс [r) = Jlжa .
С учетом сказанного, уравнение (1) для комплексной амплитуды магнитного потенциала А может быть записано в виде: 0
2, _1 д(„дА0) д 2 А А ^
V2 Ад =
0 г дг
г-
дг
V
О = -О + - гНп°тАа (2)
я 2 2 2 ^0 О дг г па
Выделяя действительную А и мнимую А части комплексного потенциала
КО 10
А0 = АЯв ^ А0 уравнение (2) может быть записано в виде системы :
^ АК0= = -£К
г па
А
v2 А10=-Т+»0™Ак0=-81
г
Уравнения (3) являются уравнениями типа Пуассона с источниковым членом £ :
V2^ = 1АГг^^-Б ,
г дг ^ дг у дг 2 ^
численное решение, которого может быть эффективно осуществлено с помощью ПК ANSYS CFX.
В уравнениях (3) источниковые члены (£К, £ ), определяющие действительную и
мнимою составляющие магнитного потенциала для каждой части расчетной области (плазма, витки индуктора, окружающая среда и диэлектрические стенки каналов плазмотрона) определяются по формулам, приведенным в табл. 1.
в плазме в витках индуктора в окружающей среде и диэлектрических стенках каналов
АРЙ Б7 г О ^к Аяв = 2 2 па г о АЯв = 2 г
Ата Б = 2 г о Ав = 2 г о Ав = 2 г
Геометрическая модель, для которой были построены расчетные сетки, представлена на рис. 2. Размеры всех основных элементов ВЧИ плазмотрона приведены в табл. 2.
Рис.2. Геометрические параметры ВЧИ-плазмотрона 1 - канал подачи транспортирующего газа, 2 - канал подачи плазмообразующего газа, 3 - канал подачи охлаждающего газа
Краевые условия для магнитного потенциала задаются следующим образом:
- 2=0:
А
дг
= 0 при 0 < г < 28.5 мм; Ав^0 = 0 при 28.5 мм < г < 125 мм;
Ь=0
- 2=400мм: Ав\г=40^, = 0 при 0 < г < 125
при 1
мм;
- г=0:
А
дг г=о
= 0 при 0 < г < 400 мм.
г=125мм: Л—г=125мм = 0 при 0 < г < 400 мм.
- на поверхностях витков индуктора выполняются условия, сформулированные в [8]. На поверхностях стенок каналов выполняются условия непрерывности и равенства нормальных к поверхности стенок производных магнитного потенциала в материале стенок, газа или плазме.
Таблица.2. Размеры ВЧИ-плазмотрона
21=50 мм Z2=50 мм 23=63 мм 24=121 мм 25=400 мм
R1=1.7 мм Я2=18.8мм Я3=25 мм Я4=33 мм R5=125 мм
DИн=6 мм 8г =3 мм 52 =2.2 мм 5Ъ =3.5 мм -
Решение системы уравнений (3) позволяет определить Лв и далее В, В, Е по формулам:
дЛ,
В =-г
— , В7 =-1—(гЛа); =-1юЛ„. дг % г дЛ — Г — —
Вектор электромагнитной силы/эми интенсивность джоулевого тепловыделения
# в плазме рассчитываются как:
1.2. Уравнения газодинамики потока
При численных расчетах транспортирующим, плазмообразующим и охлаждающимся газами являлся аргон. Течение плазмы происходит при атмосферном давлении. Для принятых значений диаметров каналов плазмотрона и расходов всех газовых потоков значение числа Re не превышает величину 103, так, что течение плазмы считали ламинарным. Теп-лофизические параметры плазмы определялись в приближении локального термодинамического равновесии по известным экспериментальным и расчетным данным [12, 13].
Расчет газодинамических параметров дозвукового осесимметричного стационарного плазменного потока в каналах плазмотрона с учетом действия электромагнитных сил и джоулевого тепловыделения (потери энергии с излучением являлись пренебрежимо малыми) проведен на основе следующей системы уравнений [14]:
уравнение неразрывности:
д(ри ) 1 д( р) =0 дг г дг
уравнение движения:
д(рпп ) 1 д( груы )_ др + д, ди Л + 1 д, ди Л
дг г дг дг дг ^ дг) г дг ^ дг)
+ д Г ди Л + 1 д Г ди Л +
дг ^ дг) г дг ^ дг) г
д(риу) 1 д(груу) _ др д, ду\ 1 д, д/
дг г дг дг дг ^ дг) г дг ^ дг ,
+ д Г ди Л +1 д Г д/Л 2 у +р
(7)
Здесь и, v - соответственно осевая и радиальная компоненты скорости плазменного потока, р - давление, ц - динамическая вязкость. ¥г и Ег - соответственно осевая и радиальная компоненты электромагнитной силы, вычисляемые по формулам (4).
уравнение энергии:
д(ир)) | 1 д(урк)_ д (гдтЛ 1ц,
дг
г
дг
дг ^ дг ) г дг
дТ дг
(8)
где А -теплопроводность, к -энтальпия, ^ -интенсивность объёмных источников тепла,
вычисляемая по формуле (5).
Краевые условия для уравнений (6-8) задаются следующим образом (см. рис .2.):
- на входах 7=0 в каналы 1, 2, 3 задаются постоянные скорости и температура: иг = 0 м/с, и21 = 2.1м/с, иг2 = 0.07м/с, и,3 = 1.3м/с, Т = 300 К;
- на выходе из расчетной области 2=24=400 мм задается постоянное по радиусу давление (избыточное давление отсутствует): р = р = 105 Па;
атм
на поверхностях витков индуктора выполняются условия непрерывности температуры и равенства нормальных к поверхности витка производных температуры в материале витка и окружающей среды (воздух при нормальных условиях).
на стенках каналов плазмотрона, омываемых газо-плазменным потоком, для скорости задаются условие прилипания, а для уравнения энергии условия непрерывности температуры и равенства радиальных производных от температуры в материале стенок и газа (или плазмы):
- на внешней границе расчетной зоны Тг=125мм = 300 к , при 0 < г < 400 мм.
1.3 Численная реализация модели в ПК ANSYS
Сеточные модели строились в пакете ANSYS 1СЕМ. Общее количество расчетных узлов составляло 2629412. При построении сеток использовалась блочная гексагональная структура НЕХА_8.
В пакете ANSYS CFX численное решение системы уравнений (3) и (6) - (8) базируется на методе конечных объемов. В программном пакете ANSYS CFX реализован псевдостационарный подход к решению стационарных задач. При этом фиктивные начальные условия для электромагнитной и газодинамической частей задачи задавались следующим образом:
- в области 50 мм < % < 400 мм,0 < г < 18.8 мм;
Т = 9кК, иг0 = 0 м/с; иг0 = 0.5м/с, р=1атм; Л— = Л— = 0.
- в других областях газового потока
Т = 300 К, и^ = 0 м/с; и ^ = 0.5 м/с, р=1 атм; Л^^ = Л^д = 0.
- в стенках труб, витках индуктора и в окружающем воздухе:
Т0 = 300К ^ А— = Л—0 = 0.
2. Результаты и обсуждения
Численные расчеты в данной работе проведены для трех-виткового индуктора, с амплитудой тока из диапазона =50-170A и частотой с =3 МГц.
2.1 Распределение электромагнитного поля в ВЧИ-плазматроне
Распределение магнитного потенциала в ВЧИ-плазматроне (для тока =170А) иллюстрируется изолиниями действительной (в верхней полуплоскости) и мнимой частями (в нижней полуплоскости) магнитного потенциала (рис. 3). На рисунке красные точки обозначают места витков индуктора, а черные линии - пластины стенок каналов плазмотрона. Видно, что максимальные значения (по модулю) мнимой части магнитного потенциала имеет место в области непосредственно под индуктором при г=17-20 мм. Действительная часть Л в этой области меняется незначительно. Такое поведение магнитного К—
потенциала приводит к тому, что в данной зоне максимальны значения напряженности электрического поля, плотности тока и плотности джоулевого тепловыделения. В данной зоне максимальные значения имеют и градиенты магнитного потенциала, а следовательно, и электромагнитные силы.
Рис.3. Распределения магнитного потенциала в ВЧИ-плазматроне.
2.2 Интенсивность тепловыделения и температура плазменного потока в ВЧИ
плазматроне
Распределения джоулевого тепловыделения (для тока J=170 A) ^ в ВЧИ-
плазмотроне показаны на рис. 4. Максимальная величина джоулевого тепловыделения
q « 1.4 х 108 Вт/м3 находится в зоне максимальных значений магнитного потенциала. v max
При уменьшении тока величина q убывает. r J v max J
Интегральная мощность тепловыделения в плазмотроне определяется по формуле:
Р Ч qd —1 Ц E2w+ E2w)h,
v v
Согласно результатам расчетов интегральная мощность джоулевого тепловыделения Р приблизительно линейно зависит от тока разряда J и удельного количества витков индуктора n (шт/см) и может быть аппроксимирована формулойР — (83.078хnJK -2995)Вт при 40 A / см < J < 140 A / см .
Так, например, при токе J =170А (n=0,5 шт/см) Р приблизительно равна 0,44 кВт.
При электрическом КПД плазмотрона в районе 50% электрическая мощность ВЧИ-плазмотрона для рассмотренных конструктивных и электрических параметров составляет значение около 10 кВт.
Рис.4. Распределение джоулевого энерговыделения (нижняя полуплоскость) при =170А и границы фронтов разряда (изолинии температуры Т=8000К) при различных токах (верхняя полуплоскость):
1- 7 =170А, 2- 130А, 3- 100А, 4 - 50А.
Границы фронтов разряда (изолинии температуры Т=8000К) при различных токах (верхняя полуплоскость) показаны на рис. 4. На выходе из центрального канала имеет место область (протяженностью приблизительно 5-7 мм, и диаметром около 4 мм), занятая холодным транспортирующим газом. Зона высоких (более 8кК) температур плазменного потока в радиальном направлении охватывает область от оси плазмотрона до радиуса периферийного щелевого канала подачи охлаждающего воздуха. Радиальная граница этой зоны в осевом направлении практически не меняется по ъ вплоть до координаты поперечного сечения, соответствующего положению последнего витка индуктора. Температура плазменного потока максимальна на оси плазмотрона в районе ъ=124 мм (сечение последнего витка). Практически при любом токе максимальная температура плазменного потока равна 10 кК. Вниз по течению, площадь поперечного сечения области высоких температур уменьшается приблизительно по квадратичному закону. Размеры области высоких температур плазмы, как в радиальном, так и осевом направлениях, зависят от уровня значений тока, и с уменьшением последнего убывают (рис. 4).
Распределения температуры по радиусу при 7К=170А для различных сечений показаны на рис. 5. Максимальная температура потока в сечении ъ=60 мм находится в точке с г~ 100 мм (линия 1). В результате конвективного теплообмена между холодным и горячим газами вниз по течению температура на оси плазмотрона повышается (линия 2). На-
чиная с ъ > 150 мм максимальная температура перемещается на ось системы (линия 3). За пределами индуктора распределение температуры по радиусу трансформируется в характерное для ламинарного потока параболическое распределение (линия 4).
Т,К
103 оо 3300 6300 4300 2300
зоо
ч \ ч Ч
4*
N \ Л
V- \ Ч 1
\ \
.\ V
Ч ^ \
Л
\ V
ч
\\ ч\
V
■'» N
* » » *
* " " ■ »
10
15
20
25 Г,ММ
Рис.5. Распределение температуры по радиусу в различных сечениях канала при 7к =170А: 1-ъ=60 мм;
2-ъ= 80мм; 3-ъ=150 мм; 4-ъ=350 мм.
Зависимость среднемассовой температуры плазменного потока от осевой координаты ъ представлена на рис. 6. Обратим внимание, что максимальное значение средней массовой температуры (около 6кК) достигается при ъ=150мм, то есть за пределами зоны индуктора ^4=121мм). Далее, вниз по течению, среднемассовая температура монотонно убывает. Уровень средней массовой температуры плазмы зависит от тока разряда. При токах 7К=150-170А средняя массовая температура на достаточно протяженном (до 400 мм)
участке канала имеет значения, превышающие 3500К. Плазменный поток с такими параметрами может обеспечить условия для высокой эффективности процессов испарения частиц, вводимых в плазму транспортирующим газом при реализации технологических процессов получения кремния [4,11] или нанопорошков [5,6]. В плазменных технологиях обогащения нужно ограничиться режимами ВЧИ-плазмотрона с меньшими токами разряда.
Рис.6. Распределение средней массовой температуры плазменного потока в ВЧИ-плазмотроне по осевой
координате: 1- У =50 А; 2- 130 А; 3 - 170 А.
Температура внутренней поверхности внешней кварцевой трубы по z меняется не монотонно, достигая максимального значения Тт при z=250 мм. ВеличинаТт зависит от
тока разряда и при JK =170 А достигает значений Т тХ=1050 К, которая является предельно
допустимой величиной с точки зрения эксплуатационных характеристик кварцевого канала. Зависимость максимальной температуры на внутренней стенке от тока разряда может быть аппроксимирована линейной зависимостью Тт = ТтХ - 2.1* (170 - JR). Отсюда следует, что при использовании ВЧИ-плазмотрона с газовым охлаждением (при выбранных расходах плазмообразующего и охлаждающего газов) необходимо уменьшить амплитуду тока в индукторе до величин 130-150 А. При необходимости увеличения мощности плазмотрона, требуется применение ВЧИ-плазмотрона с водяным охлаждением [15].
2.3 Распределения давления и линии тока в ВЧИ плазматроне.
Распределения избыточного давления в плазмотроне для JK =170А показаны на
рис. 7. Максимальное давление в плазменном потоке имеет место в районе оси плазмотрона с центром приблизительно на расстоянии z = 90 мм от входного сечения ( z = 0).
Рис.7. Распределение давления (верхняя полуплоскость) и линии тока (нижняя полуплоскость)
при =170 А.
Такое распределение давления (и его градиента) приводит к формированию специфической газодинамической структуре потока. Ускоренный в центральном канале (рис. 2, поз.1) газовый поток при выходе из канала попадает в область повышающегося (при увеличении 2) давления и тормозится. Взаимодействуя с областью повышенного давления (как с преградой) часть этого потока разворачивается и в слоях близких к периферийной части канала двигается навстречу газовому потоку, поступающему из канала, по которому подается плазмообразующий газ. Взаимодействие этих двух потоков приводит к образованию тороидального вихревого течения с центром в точке 7=22 и г=Я2/2 (рис. 7) При таком уровне энерговыделения в плазме вихревая зона проникает в область канала подачи плазмообразующего газа, деформирую картину его течения. Линии тока плазмообразую-щего газа, текущего по второму (см. рис. 2) каналу, сначала отжимаются к внешней стенке, а, далее, «преломляются» к оси в высокотемпературной зоне разряда. Пройдя область повышенного давления, плазменный поток в районе оси плазмотрона ускоряется до скоростей около 12-17 м/с, а при дальнейшем течении происходит перестройка распределения скорости к установившемуся параболическому профилю.
При уменьшении тока в индукторе, центр вихря незначительно смещается вниз по течению с уменьшением его интенсивности (вращательной скорости движения плазмы).
Заключение
Реализована численная модель расчета параметров ВЧИ-плазмотрона с газовым охлаждением. Численное решение системы уравнений Максвелла и теплообмена выполнено
в пакете прикладных программ ANSYS CFX (14.5) методом конечных объемов. Использован псевдостационарный подход к решению стационарных задач.
Численное моделирование выполнено для одного из конкретных конструктивных вариантов технологического ВЧИ-плазмотрона с трех-витковым индуктором и с амплитудой тока из диапазона7 = 50-170А (частотой 3 МГц). В качестве плазмообразующего
газа рассмотрен аргон. Установлено влияние тока разряда на основные термодинамические параметры (давление, температура) и мощность энерговыделения в зоне разряда. Показано, что плазмотрон может обеспечить генерацию плазменного потока с максимальной температурой около 10 кК и средней осевой скоростью на выходе порядка 10-15 м/с. Определена протяженность плазменного потока со среднемассовой температурой более 4 кК. Установлено, что для обеспечения нормального теплового состояния кварцевых стенок плазмотрона амплитуда тока разряда не должна превышать 150А. Выявлены особенности распределения поля скорости в канале плазмотрона, а именно, образование в сечении первого витка индуктора тороидального вихревого течения. Полученные данные необходимы для расчета динамики нагрева и испарения кварцевых частиц в технологических процессах плазменной переработке кварцевого концентрата на особо чистый кварц и поликристаллический кремний.
Список литературы
1. Boulos M.I. The inductively coupled radio frequency plasma // High Temp. Material Processes. 1997 Vol. 1, pp. 17-39. DOI: 10.1615/Hi ghTempMatProc.v1.i1.20
2. Новиков И.Н., Кручинин А.М. Обработка мелкодисперсных порошков силиката циркония в струе ВЧИ-плазмотрона // Письма в ЖТФ. 2014. Т.40, № 20. С.17-21.
3. Борисов Л.А., Гришин Ю.М., Козлов Н.П. Экспериментальные исследования состава примесей частиц природного кварца в дисперсном плазменном потоке // Теплофизика высоких температур. 2007. Т. 45, № 5. С. 777-781.
4. Гришин Ю.М., Козлов Н.П., Скрябин А.С. Экспериментальные исследования плазмо-химического метода прямого получения кремния из кварца // ТВТ. 2012. № 50, № 4. С. 491-496.
5. Ameya B., Christopher R.P, Steven A.C, Carter C.B. Synthesis of highly oriented, single-crystal silicon nanoparticles in a low-pressure inductively coupled plasma // Journal of Applied Physics. 2003. vol. 94, no.3. pp. 1969-1974. DOI: 10.1063/1.1586957
6. Тимошенков С.П., Прокопьев Е.П., Дьячков С.А., Синтез мелкодисперсных порошков в ВЧИ плазме //Физика и химия обработки материалов. 2002. № 5. С. 26-31.
7. Morsli M.E., Proulx P. A chemical non-equilibrium model of an air supersonic ICP // Appl. Phys. 2007. vol. 40. pp. 387-394. DOI: 10.1088/0022-3727/40/2/015
8. Holik. E.F. Simulation results of an inductively-coupled RF plasma torch in two and three dimensions for producing a metal matrix composite for nuclear fuel cladding. Thesis. Master of science. Texas, 2008, 90 p.
9. Sanaz A. E. A modeling framework for the synthesis of carbon nanotubes by RF plasma technology // Thesis. Doctor of Philosophy. Torento, 2013, 184 p.
10. Гришин Ю.М., Козлов Н.П., Скрябин А.С. Эффективность получения кремния из кварца в газоплазменном аргоновом потоке с добавкой водорода // Инженерный журнал: наука и инновации. 2013. № 5. DOI: 10.18698/2308-6033-2013-5-716
11. Смайт В. Электростатика и электродинамика. М.: Иностранная литература, 1954. 604 с.
12. Abeele D.V., Degrez G. Similarity analysis for the high-pressure inductively coupled plasma source // Plasma Sources Sci. Technol. 2004, vol.13, pp. 680-690. DOI: 10.1088/09630252/13/4/018
13. Белов Г.В. Термодинамическое моделирование: методы, алгоритмы, программы. М.: Научный Мир, 2002. 184 с.
14. Морозов А.И. Введение в плазмодинамику. М.: Физматлит, 2008. 616 с.
15. Дресвина С.В. Низкотемпературная плазма. ВЧ и СВЧ плазмотроны. Новосибирск: Наука, 1992. 319 с.
Science ¿Education
of the Baumail MSTU
Science and Education of the Bauman MSTU, 2016, no. 05, pp. 104-121.
DOI: 10.7463/0516.0840352
Received: 14.04.2016
Revised: 28.04.2016
© Bauman Moscow State Technical Unversity
Numerical Simulation of Plasma-Dynamical Processes in the Technological Inductively Coupled RF Plasmatron with Gas Cooling
Yu.M. Grishin1*, L. Miao
yarishm'gbm£tu.ju
1Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia
1
Keywords: ICP, parameters of plasma, structure of streamflow, vortex
The electrodeless inductively coupled RF plasmatron (ICP) torches became widely used in various fields of engineering, science and technology. Presently, owing to development of new technologies to produce very pure substances, nanopowders, etc., there is a steadily increasing interest in the induction plasma. This generates a need for a broad range of theoretical and experimental studies to optimize the design and technological parameters of different ICP equipment.
The paper presents a numerical model to calculate parameters of inductively coupled RF plasmatron with gas-cooling flow. A finite volume method is used for a numerical solution of a system of Maxwell's and heat transfer equations in the application package ANSYS CFX (14.5). The pseudo-steady approach to solving problems is used.
A numerical simulation has been computed in the application package ANSYS CFX (14.5)
for a specific design option of the technological ICP, which has a three-coils inductor and current
amplitude in the range J = 50-170 A (3 MHz). The pure argon flows in the ICP. The paper disK
cusses how the value of discharge current impacts on the thermodynamic parameters (pressure, temperature) and the power energy in discharge zone. It shows that the ICP can generate a plasma stream with a maximum temperature of about 10 kK and an output speed of 10-15 m/s. The work determines a length of the plasma stream with a weight average temperature of more than 4 kK. It has been found that in order to keep the quartz walls in normal thermal state, the discharge current amplitude should not exceed 150 A. The paper shows the features of the velocity field distribution in the channel of the plasma torch, namely, the formation of vortex in the position of the first coil. The results obtained are important for calculating the dynamics of heating and evaporation of quartz particles in the manufacturing processes for plasma processing of quartz concentrate into high-purity quartz and polycrystalline silicon.
References
1. Boulos M.I. The inductively coupled radio frequency plasma. High Temp. Material Processes, 1997, Vol. 1, pp. 17-39. DOI: 10.1615/Hi ghTempMatProc.v1.i1.20
2. Novikov I.N., Krychinin A.M. Processing of fine zirconium silicate powder in a stream of HFI-torch. Pis'ma v ZhTF, 2014, vol. 40, no. 20, pp. 17-21. (In Russian).
3. Borisov L.A., Grishin Yu.M., Kozlov N.P. Studies into the modification of the composition of impurities of natural quartz particles in a dispersed plasma flow. Teplofizika vysokikh temperatur, 2007, vol. 45, no. 5, pp. 777-781. (In Russian). (English version of journal: High Temperature, 2007, vol. 45, no. 5, pp. 708-712. DOI: 10.1134/S0018151X07050203 )
4. Grishin Yu.M., Kozlov N.P., Skryabin A.S. Experimental study of the plasmochemical method for the direct production of silicon from quartz. Teplofizika vysokikh temperatur, 2012, vol.50, no. 4, pp. 491-496. (In Russian). (English version of journal: High Temperature, 2012, vol. 50, no. 4, pp 459-463. DOI: 10.1134/S0018151X12040086 )
5. Ameya B., Christopher R.P, Steven A.C, Carter C.B. Synthesis of highly oriented, single-crystal silicon nanoparticles in a low-pressure inductively coupled plasma. Journal of Applied Physics, 2003, vol. 94, no. 3, pp. 1969-1974. DOI: 10.1063/1.1586957
6. Timoshenko S.P., Prokopiev E.P., Diachkov S.A. Synthesis of fine powders in the plasma. Fizika i khimiya obrabotki materialov = Physics and chemistry of materials treatment, 2002, no. 5, pp. 26-31. (In Russian).
7. Morsli M.E., Proulx P. A chemical non-equilibrium model of an air supersonic ICP. Appl. Phys, 2007, vol. 40, pp.387-394. DOI: 10.1088/0022-3727/40/2/015
8. Holik E.F. Simulation results of an inductively-coupled RF plasma torch in two and three dimensions for producing a metal matrix composite for nuclear fuel cladding. Thesis. Master of science. Texas, 2008, 90 p.
9. Sanaz A. E. A modeling framework for the synthesis of carbon nanotubes by RF plasma technology. Thesis. Doctor of Philosophy. Torento, 2013, 184 p.
10. Grishin Yu.M., Kozlov N.P., Skryabin A.S. Efficiency of silicon production from quartz within argon gas-plasma flow with hydrogen additive. Inzhenernyy zhurnal: nauka i innovatsii = Engineering Journal: Science and Innovation, 2013, no. 5. (In Russian). DOI: 10.18698/2308-6033-2013-5-716
11. Smythe W.R. Static and dynamic electricity. New York, 1950. 604p.
12. Abeele D.V., Degrez G. Similarity analysis for the high-pressure inductively coupled plasma source. Plasma Sources Sci. Technol, 2004, vol.13, pp. 680-690. DOI: 10.1088/09630252/13/4/018
13. Belov G.V. Termodinamicheskoe modelirovanie: metody, algoritmy, programmy [Thermodynamic modeling: methods, algorithms, programs]. Moscow, Nauchnyy Mir Publ., 2002. 184 p. (In Russian).
14. Morozov A.I. Vvedenie v plazmodinamiku [Introduction to plasmodynamics]. Moscow, Fizmatlit Publ., 2008. 616 p. (In Russian).
15. Dresvina S.V. Nizkotemperaturnaya plazma. VCh i SVCh plazmotrony [Low-temperature plasma. RF and microwave plasma generators]. Novosibirsk, Nauka Publ., 1992. 319 p. (In Russian).
