Научная статья на тему 'Квазиодномерный расчет температурного поля твердотельных катодов плазмотронов'

Квазиодномерный расчет температурного поля твердотельных катодов плазмотронов Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
95
63
Поделиться
Ключевые слова
КВАЗИОДНОМЕРНЫЙ МЕТОД / ЭНЕРГООБМЕН / НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПЛАЗМА / QUASI-ONE-DIMENSIONAL METHOD / ENERGY EXCHANGE / LOW-TEMPERATURE PLASMA

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Антонов Денис Викторович, Цыдыпов Балдандоржо Дашиевич

Разработан квазиодномерный метод расчета термического состояния тугоплавких катодов генераторов низкотемпературной плазмы.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Антонов Денис Викторович, Цыдыпов Балдандоржо Дашиевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

QUASI-ONE-DIMENSIONAL CALCULATION OF TEMPERATURE FIELD OF PLASMATRON SOLID CATHODES

A quasi-one-dimensional method of calculation a thermal state of infusible cathodes of low-temperature plasma generators has been developed.

Текст научной работы на тему «Квазиодномерный расчет температурного поля твердотельных катодов плазмотронов»

Tereschenko Tatyana Vasilievna, graduate student, Altai State Pedagogical Academy, 656050, Barnaul, Guschina Str., 153a-104.

Golub Pavel Dmitrievich, candidate of physical and mathematical sciences, professor, Department of Physics and Methodology of Teaching Physics, Altay State Pedagogical Academy, 656056, Barnaul, Chernyshevsky Str., 28-41.

Betenkov Fyodor Mikhailovich, candidate of technical sciences, associate professor, Department of Technological Disciplines, Altay State Pedagogical Academy, Barnaul, Malakhova Str., 158-90, e-mail:bfinl982@yandex.ru

УДК 537.534 Антонов, ^э()Д* Цыдыпов

КВАЗИОДНОМЕРНЫЙ РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ КАТОДОВ ПЛАЗМОТРОНОВ

Разработан квазиодномерный метод расчета термического состояния тугоплавких катодов генераторов низкотемпературной плазмы.

Ключевые слова: квазиодномерный метод, энергообмен, низкотемпературная плазма.

D.V. Antonov, B.D. Tsydypov

QUASI-ONE-DIMENSIONAL CALCULATION OF TEMPERATURE FIELD OF PLASMATRON SOLID CATHODES

A quasi-one-dimensional method of calculation a thermal state of infusible cathodes of low-temperature plasma generators has been developed.

Keywords: quasi-one-dimensional method, energy exchange, low-temperature plasma.

В работе рассмотрена обобщенная задача теплофизического состояния составных катодных узлов сильноточных плазменных систем [1]. Она основана на решении нелинейного уравнения нестационарной теплопроводности:

—T

ср—— = div(Xgrad—) + qv (1)

—t

с учетом основных видов теплообмена электродного узла с внешней средой, где T - температура, c -удельная теплоемкость, р - плотность материала, X - коэффициент теплопроводности, qV - объемная плотность внутренних источников и стоков, обусловленных различного рода физико-химическими процессами выделения и поглощения энергии.

На рис. 1 показана модель типичного катодного узла плазменных устройств. Для плазмотронов наиболее работоспособными являются конструкции, состоящие из центрального стержневого электрода - вставки I из тугоплавкого металла (например, чистый или активированный вольфрам), запрессованного в медный цилиндрический корпус катодного узла - обойму II.

Длина вылета катода варьируется от Lc = 0 (заделка заподлицо) до Lc / dx >>1 (длинный катод).

Рис. 1. Схема составного катодного узла плазменных устройств.

I - катод (вставка), II - корпус узла (обойма), III - плазма разряда, IV - плазмообразующий газ, V - теплоотвод (жидкость)

В квазиодномерном методе влияние массивной охлаждаемой обоймы на температурное поле вставки в постановке задачи заменяется граничным условием I рода, а сложный теплообмен через боковые поверхности электрода учитывается введением в одномерное уравнение теплопроводности так называемых эффективных объемных источников и стоков энергии. Это приближение подходит для расчета температуры длинных катодов с диффузной привязкой разрядов при достаточно большой токовой нагрузке, когда площадь контакта разряда близка к поперечному сечению электрода (г0 « Я1) и изменением температуры по радиусу можно пренебречь.

В данном случае уравнение теплопроводности (1) записывается только для вставки I (рис. 1) в виде:

с р" ЁТ =д_

11 дТ дг

\(Т ) дТ

- 2а(Т) (т - т ) - 2в(т)ств (т4 - г4) + j2 / ^ (Т) (2)

дг J г Г

где а(Т) - коэффициент конвективной теплоотдачи, г(Т) - интегральная излучательная способность,

аБ - постоянная Стефана-Больцмана Т& и Тт - температуры плазмообразующего газа и окружающей

среды.

Для установившихся тепловых режимов численно решается стационарное уравнение теплопроводности стандартным итерационным методом Рунге-Кутта с учетом известного из эксперимента удельного теплового потока из плазмы д0 :

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

до = -ЦТ)дТЩ/дг

Второе граничное условие задается на холодном торце катода:

ЦЬ!) = 300 к

Квазиодномерный метод позволяет оптимизировать температурный режим и выявить вклад каждого из составляющих уравнения (2) в энергобаланс катода.

Рассмотрим термоэмиссионные катоды плазмотронов с обжатой дугой, широко используемых для сварки и резки не только тонких (0,15-0,5 мм), но и толстых листов металлов [2]. Они особенно эффективны в автоматизированных процессах, где их ресурс непрерывной работы становится наиболее важным элементом технического цикла. На рис. 2а показаны полученные в расчетах осевые распределения температур в цилиндрическом W - катоде фиксированной длины Ьс = 20 мм с диаметром 5 мм при различных значениях тока дуги. Экспериментальное оптимальное распределение температуры соответствует току 350 А (пунктир), что подтверждается графиками 4 и 5.

а)

б)

Рис. 2. Осевые распределения температур катода. а) й1 = 5 мм, 1 - 8 ток соответственно 50, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700 А. б) й1 = 3.5 мм, 1 - 6 ток соответственно 50, 75, 100, 125, 150, 200 А

На рис. 2б представлено распределение температуры для электрода с диаметром 3,5 мм. Видно, что к экспериментально найденному распределению (пунктир) наиболее близка расчетная кривая, соответствующая току 150 А. При реализации данного токового режима (I = 125-150 А) электрод функционирует с наибольшим ресурсом [2]. Таким образом, графики показывают, что квазиодномер-ный метод расчета применим для оптимизации температурного режима стержневого тугоплавкого катода, так как дает результаты, практически совпадающие с данными эксперимента и обобщенной задачи [1].

Из расчетов следует, что наиболее сильное влияние на термический режим катодов оказывает их диаметр dj .

Литература

1. Цыдыпов Б.Д., Симаков И.Г. Тепловое состояние катодных узлов сильноточных плазменных систем // Теплофизика высоких температур. - 2011. - Т.49. - №5. - С. 663-670.

2. Аньшаков А.С., Урбах Э.К., Цыдыпов Б.Д. Оптимизация теплового состояния и ресурса стержневого термокатода // Теплофизика и аэромехника. - 1995. - Т.2. - №2. - С. 167-171.

Цыдыпов Балдандоржо Дашиевич, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, Институт физического материаловедения СО РАН, 670047, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6, e-mail:lmf@ipms.bscnet.ru

Антонов Денис Викторович, аспирант, Институт физического материаловедения СО РАН, 670047, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6, e-mail:antnv.d@gmail.com

Tsydypov Baldandorzho Dashievich, doctor of technical sciences, leading researcher, Institute of Physical Materials Science SB RAS, 670047, Ulan-Ude, Sakhyanova Str., 6, lmf@pres.bscnet.ru

Antonov Denis Viktorovich, postgraduate student, Institute of Physical Materials Science SB RAS, 670047, Ulan-Ude, Sakhyanova Str., 6, antnv.d@gmail.com

УДК 537.534.21 © Б.Д. Цыдыпов

НЕСТАЦИОНАРНАЯ ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССОВ В СИЛЬНОТОЧНЫХ ПЛАЗМЕННЫХ СИСТЕМАХ

Обоснована и развита физико-математическая модель нестационарных процессов в сильноточных плазменных системах.

Ключевые слова: модель, нестационарные процессы, энергообмен, низкотемпературная плазма.

B.D. Tsydypov

NONSTATIONARY PHYSICAL AND MATHEMATICAL MODEL OF PROCESSES IN HIGH-CURRENT PLASMA SYSTEMS

In the paper a physical and mathematical model of nonstationary processes in high-current plasma systems has been worked out and developed.

Keywords: model, nonstationary processes, energy exchange, low-temperature plasma.

Представлена эволюционная физико-математическая модель катодных и прикатодных процессов (КПП), учитывающая динамику эмиссионных свойств электродов в процессе функционирования сильноточных плазменных систем. Схема развитой модели КПП показана на рис. 1. Она основана на решении задачи тепломассопереноса и испарения легирующих элементов тугоплавких катодов совместно с уравнениями, описывающими процессы в пространственной системе «катод - прикатодная область - дуговой канал». Замкнутая постановка обобщенной задачи позволяет исследовать закономерности и динамику во времени всей цепочки КПП в совокупности с учетом влияния плазмы столба разряда. В модели впервые рассматриваются процессы тепломассопереноса, рециклинг нейтралов и ионов в приэлектродной области и элементарные процессы, сопровождающие данный механизм. Ввиду многообразия и сложности КПП для описания их разбиваем на четыре взаимосвязанные группы, выделяя в каждой из них только основные процессы.

1. Процессы в объеме твердого тела. Протекание тока, нагрев массива электрода объемными (джоулево тепловыделение) и поверхностными (тепловой и лучистый потоки из плазмы) источниками тепла. Охлаждение катода за счет испарения нейтралов и термоэмиссии электронов, кондуктивно-го и конвективного теплообмена и радиационного излучения. В активированных катодах процессы тепломассообмена зависят от диффузии и испарения атомов легирующего металла и при высоких температурных полях сопровождаются рекристаллизацией структуры матрицы.

2. Процессы на поверхности катода. Испарение нейтралов, эмиссия электронов и нейтрализация ионов. Лучистый и конвективный переносы тепла. Бомбардировка поверхности твердого тела потоками возбужденных атомов, высокоэнергетичных ионов и «обратных» (плазменных) электронов, аккомодация их на поверхности. Энергообмен этих процессов.