CC BY
31
УДК 546.46:661 846
М. Ф. Вахитов, А. Г. Саттаров, А. Р. Бикмучев, С. Г. Семенова
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ОСЕСИММЕТРИЧНОГО ПОТОКА РАБОЧЕГО ГАЗА В ГАЗОДИНАМИЧЕСКОМ ОКНЕ И В КАМЕРЕ ОПТИЧЕСКОГО
ПЛАЗМОТРОНА
Ключевые слова: непрерывный оптический разряд, газодинамическое окно, камера поглощения, сопло, осесимметричный
противоточный поток рабочего газа, непроницаемая сфера.
В данной работе представлены результаты теоретических исследований характеристик осесимметричного кольцевого потока рабочего газа в газодинамическом окне (ГДО) и в камере поглощения (КП) оптического плазмотрона. Определены режимы эффективной работы ГДО оптического плазмотрона.
Keywords: continuous optical discharge, gas-dynamic window, absorption chamber, nozzle, axial counter flow of actuation gas,
impermeable sphere.
This paper presents the results of theoretical studies of the characteristics of an axisymmetric annular flow of the working gas in a gas-dynamic window (GDO) in the absorption chamber (CP) of optical plasmatron. Modes of effective work GDO optical plasma torch.
Введение
Возможность получения непрерывного оптического разряда и создания оптического плазмотрона путем продувки холодного газа через стабилизированный разряд и генерирования таким путем непрерывной струи низкотемпературной плазмы, впервые, теоретически, предсказал известный советский физик Ю.П.Райзер. В Институте проблем механики РАН в начале 70г. прошлого столетия была получена лазерная плазма, которая генерировалась непрерывно оптическим разрядом.
Исследование оптического разряда занимались отечественные ученые: Прохоров А.М., Бункин Ф.В., Козлов Г.И., Генералов Н.А., Суржиков С.Т, Феодоров В.Б., Зимаков В.П., Конов В.И., Кулумба-ев Э.Б., Лелевкин В.М. и др.
Существенный вклад в изучение природы явления непрерывного оптического разряда (НОР) и в создание математических моделей внесли Райзер Ю.П., Суржиков С.Т., Кулумбаев Э.Б., Лелевкин В.М и др.
Исследования свойств газоразрядной плазмы проводили известные ученые Даутов Г.Ю. и Ти-меркаев Б.А.
Температура плазмы в оптическом разряде существенно выше, чем в других и составляет -12000 - 30000 К. В ближайших аналогах, например, в дуговом разряде 7000 -8000К, в ВЧ - разряде -9000-10000 К (см. табл.1).
Преимуществами оптического плазмотрона по сравнению с другими видами плазмотронов (см. табл.1) являются сравнительно высокая температура генерируемой плазмы, небольшие размеры, чистота плазменного образования.
Сравнительно высокая температура плазмы позволяет также использовать её при резке металлов, что будет повышать производительность данных установок. Исследования Большакова А. П. и его коллег из Института общей физики им. А.М. Прохорова показали, что плазма, образованная оп-
тическим разрядом позволяет проводить синтез поликристаллических алмазных пленок. Таким образом, создание оптических плазмотронов является актуальной задачей.
Исследователями отмечается некоторая аналогия между горением и оптическим разрядом, который непрерывно поддерживается в газе лазерным излучением. Как следует из анализа научно-технической литературы, в настоящее время отсутствуют рекомендации и методики по разработке конкретных устройств, предназначенных для введения лазерного излучения в камеру поглощения, газодинамических окон (ГДО), работоспособных в условиях, характерных для оптического плазмотро-на[1],[2]. Отсутствует также и концепция создания оптического плазмотрона [3]-[6].
С другой стороны, решение данных задач невозможно без определения сложной картины течения рабочего газа в камере поглощения (КП) и в сопле с учетом взаимодействия рабочего газа с плазмой, образованной непрерывным оптическим разрядом и эжекции атмосферного воздуха в камеру поглощения через ГДО, выявления способов стабилизации НОР в КП, оптимизации характеристик оптического плазмотрона.
Для разработки оптического плазмотрона необходимо осуществить: построение концепции создания оптического плазмотрона на основе непрерывного оптического разряда с газодинамической стабилизацией лазерной плазмы кольцевым осесим-метричным потоком рабочего газа, исследование и оптимизация характеристик, организация рабочего процесса во внутрикамерном пространстве, изучение процессов в камере поглощения с применением численных ЯА^ моделей течения, с учетом эжек-ции атмосферного воздуха в КП через ГДО и обдува НОР рабочим газом, выявление режимов течения газа из ГДО, оценка проектных параметров (энергетических, массовых, расхода рабочего газа, геометрических размеров).
В работах Райзера Ю.П., Суржикова С.Т. Козлова Г.И. показана, что возможны два способа организации устойчивого «горения» оптического разряда: газодинамический и электродинамический. При фокусных расстояниях свыше 250 мм НОР, полученный СО2 лазером, не может стабильно «гореть» без обдува его рабочим газом, так как нарушается условие электродинамической НОР, полученный СО2 лазером, не может стабильно «гореть» без обдува его рабочим газом, так как нарушается условие электродинамической стабилизации разряда:-1^ < ,1,
где ц- коэффициент поглощения плазмы на длине волны лазерного излучения, м-1; г - радиус поперечного сечения лазерного пучка в том месте, где локализуется НОР, м; я - полуугол схождения сфокусированного луча.
Таблица 1 - Характеристики плазмотронов
Тип разря- Частота (рабо- Макси- Примеч.
да в плаз- чая) волны мальная
№ мотроне Электромагнитного температура плазмооб-
п/п излучения (Гц) разующего газа (Т0 ,К)
Дуговой От нескольких 7000-8000 Разрабо-
1 разряд Гц до сотен кГц. (Кратковременные импульсы или осциллирующие поля низких частот) тан (1900 г.)
ВЧЕ- Десятки-сотни 9000-10000 Разрабо-
2 разряд МГц. (Высокие радиочастоты) тан (1940 г.)
СВЧ- (1-10) ГГц, 10000-12000 Разрабо-
3 разряд (СВЧ поля) тан (1960 г.)
Оптичес- Оптичес-кий, 12000- Разрабаты-
4 кий инфракрасный видимый, ультрафиолетовый 30 000 ваются с 1970 г по нас-тоящее время
Газодинамическая стабилизация, в отличие от электродинамической, позволяет получать мощный стационарный оптический разряд, необходимый для работы оптического плазмотрона. Поэтому, в дальнейшем, нами будут рассматриваться только газодинамические способы стабилизации НОР. Га-зо-динамическая стабилизация на основе использования длиннофокусных систем (для формирования слаборасходящихся лучей) снимает ограничения по верхнему пределу мощности лазерного луча для НОР, что позволяет значительно увеличить температуру плазмы и «поджечь» НОР вдали от стенок (ГДО, КП).
На основе анализа свойств и условий существования НОР, с учетом обдува его потоком рабочего газа, предложена концепция создания оптического плазмотрона, которая заключается в следующем:
1. Оптический плазмотрон должен состоять из ГДО, КП и сопла.
2. ГДО выполняется в виде кольцевого осе-симметричного сопла Лаваля. ГДО разделяет полость КП от окружающей среды, за счет кинетической энергии потока, истекающего из ГДО.
3. КП имеет цилиндрическую форму. В КП осуществляется нагрев рабочего газа в результате «поджига» НОР и образования плазмы. Плазма, образованная НОР непрерывно поглощает энергию лазерного излучения, которая поступает через центральное отверстие ГДО. При «обдуве» плазмы кольцевым осесимметричным рабочим газом в КП происходит стабилизация положения НОР в области фокусировки лазерного излучения и осуществляется нагрев поступающего в КП «холодного» рабочего газа. В КП температура рабочего газа, в результате теплообмена с плазмой, повышается и происходит его ускорение в направлении критического сечения в осесимметричном сужающемся канале, в направлении сопла.
4. Сопло выполняется в виде осесим-метричного расширяющегося канала, где происходит ускорение высокотемпературного рабочего газа, истекающего из критического сечения в направлении среза сопла. При этом температура рабочего газа в процессе течения в сопле снижается, а его скорость возрастает, что позволяет подобрать путем изменения длины сопла различные режимы работы оптического плазмотрона для различных технологических процессов: нанесения покрытий, резки и сварки металлов, и.т.д. Изменение температуры потока осуществляется также подбором соответствующей скорости «обдува» плазмы, образованной НОР.
На рис. 1 приведена схема оптического плазмотрона, выполненная в соответствии с вышеизложенной концепцией.
Рис. 1 - Схема оптического плазмотрона с осе-симметричным истечением рабочего тела. штуцер подвода рабочего тела; 2 - сужающее-
1
ся часть ГДО; 3 - осесимметричное кольцевое сопло; 4 -НОР; 5- лазерный луч
Численное моделирование течения в ГДО, в камере поглощения, в сопле, проводилось с помощью лицензионного пакета Fluent 6.3. Для проведения численного эксперимента выделено из физической области, в которой будут решаться уравнения математической модели - границы объема, на которых задавались необходимые для решения уравнений граничные условия.
Целью численного исследования является визуализация внутрикамерных течений в камере поглощения, в ГДО и в сопле. Задача - исследовать
изменение газодинамических параметров по длине и по радиусу КП, при различных режимах (давлениях рабочего газа на входе расходах) и геометрических размерах ГДО, камеры, сопла.
При выполнении расчетов использовалась стандартная к-е модель. Она подходит для высоко-рейнольдсовых и несложных (сильно-закрученных), течений, а так же дает хорошую сходимость для относительно грубых сеток. Кроме того, стандартная модель к-е требует меньше процессорного времени при одинаковых условиях.
Граничные условия (ГУ). В качестве ГУ на входе задавалось давление (только оно и изменялось), а так же интенсивность турбулентности (1%, так как ширина кольцевого сопла всего 8мм и обратных токов быть не может). В ГУ на ГДО задавались интенсивность турбулентности, равная 8% (так как в некоторых случаях ожидались обратные течения) и гидравлический диаметр (численное значение которого задавалось исходя из геометрии текущей задачи). В ГУ на выходе так же задавались интенсивность турбулентности (10%, так как практически во всех случаях наблюдались обратные токи большой скорости) и гидравлический диаметр, всегда равный 50мм.
Эффективность работы ГДО вычислялось как отношение расхода через центральное отверстие ГДО (эжекция) к расходу рабочего газа на входе в плазмотрон. Данное отношение определяет коэффициент эффективности ГДО: чем больше полученное число, тем эффективнее будет эжекция атмосферного воздуха из окружающей среды через центральное отверстие ГДО в КП плазмотрона.
В итоге, эффективность эжекции можно оценить уже по картине с распределением скорости - чем больше модуль скорости на входе в ГДО, тем будет больше расход, в результате разрежения (увеличения перепада давления), что приводит к увеличению эффективности ГДО.
Исследование разрежения воздуха к области центрального отверстия ГДО. Результаты расчетов при ширине критического сечения ГДО 0,5 мм; угла конусности 30°.
В данном случае обратных течений через ГДО не наблюдается (рис.2, рис.3). Однако имеется недорасширение в кольцевом сопле, из-за чего присутствуют завихрения внутри него.
Это происходит из-за сильного недорас-ширения газа в кольцевом сопле, что хорошо видно на распределении суммарного статического и динамического давлений (рис. 4).
Расчеты при давлении на входе - 5.0*105Па.
Рис. 2 - Скорость потока вдоль оси камеры оптического плазмотрона
Рис. 3 - Изменение вектора скорости потока вдоль оси камеры оптического плазмотрона
Рис. 4 - Изменение полного давления потока вдоль оси камеры оптического плазмотрона
Как видно из табл. 2, расход через вход плазмотрона с ростом давления изменяется линейно.
Таблица 2 - Значения расходов рабочего газа на входе в оптический плазмотрон и на выходе из сопла
Расход газа Рабочее давление на входе,
и коэффи- атм
циент 5.0 10.0 20 30
эффектив-
ности
Расход 0,126717 0,23337 0,4483 0,66353
через вход ГДО,
10-1 кг/с
Расход 0,059048 0,05344 0,020186 0,014438
через цен-
тральное
осевое
отверстие ГДО (эжекция) 10-1 кг/с
Расход на -0,1857 -0,2874 -0,46895 -0,67975
выходе
из сопла,
10-1 кг/с
Коэффи-
циент
эффективности 0.466 0.229 0.045 0.022
Как следует из расчетов, с ростом давления на входе эжекция через ГДО снижается, и как следствие - уменьшаются коэффициенты эффективности. По эффективности оптимальным является случай с 5.0*105 Па на входе, при этом коэффициент эффективности составляет 0,446 (см. табл. 2).
Выводы
Проведенные расчетно- теоретические исследования показали, что ГДО оптического плазмотрона может выполняться в виде кольцевого осе-симметричного сопла Лаваля. Эффективность работы газодинамического окна при этом определяется коэффициентом ГДО. Как следует из расчетов, с ростом давления на входе эжекция воздуха через ГДО уменьшается и как следствие - снижаются коэффициенты эффективности. Эффективная работа ГДО наблюдается при давлениях рабочего газа на входе в сопло Лаваля (5.0-10.0)105 Па.
Работа выполнена в рамках договора с Ми-нобрнауки РФ от «12» февраля 2013 г. № 02.G25.31.0004.
Литература
1. Г.Ю. Даутов., Б. А. Тимеркаев, Генераторы неравновесной газоразрядной плазмы Фэн,Казань, 1996,198с.
2. Гуськов К.Г., Райзер Ю.П., Суржиков С.Т. О наблюдаемой скорости медленного движения оптического
разряда // Квантовая электроника. 1990. Т. 17,№7.С.937-942.
3. А.Г. Саттаров, М.Ф. Вахитов, Оптический плазмотрон на основе непрерывного оптического разряда, Вестник Казанского технологического университета,5, 3, 35 -39, (2009).
4. А.Г.Саттаров, А.Р. Бикмучев, М.Ф. Вахитов, М.Ю. Коротков, Исследование внутрикамерных процессов в энергетических установках на основе оптического разряда Вестник Казанского технологического уни-верситета,5,3, 35 - 39, (2009);
5. А.Г. Сатаров, А.Р. Бикмучев, М.Ф. Вахитов, С.Г. Семенова, Численное моделирование осесимметричного закрученного противоточного потока рабочего газа в оптическом плазмотроне, Вестник Казанского технологического университета, 16,13,165 - 169,(2013).
6. А.Г. Саттаров, А.Р. Бикмучев, М.Ю. Вахитов, С.Г. Семенова, Экспериментальное исследование осе-симметричного закрученного противоточного потока рабочего газа в оптическом плазмотроне, Вестник Казанского технологического университета ,16,13,172 -174, (2013).
© М. Ф. Вахитов - инженер, КНИТУ, vmfkzn@bk.ru; А. Г. Саттаров - д-р техн. наук, доцент, КНИТУ, albert5519@mail.ru;
А. Р. Бикмучев - канд. техн. наук, научный сотрудник ФГБУ «НИИ ЦПК имени Ю.А. Гагарина», A.Bikmuchev@gctc.ru;
С. Г. Семенова - зав. лабораторией каф.ТОМЛП КНИТУ, ssemyonova@mail.ru.
© M. F. Vahitov - engineer, KNRTU, vmfkzn@bk.ru; A. G. Sattarov - D.Sc., Associate Professor, KNRTU, albert5519@mail.ru; A. R. Bikmuchev - Ph.D., Research Associate, Gagarin Research and Test Cosmonaut Training Center, A.Bikmuchev@gctc.ru;
S. G. Semyonova - laboratory, KNRTU, ssemyonova@mail.ru.
