Автоматическая сварка, 2016, №01



2016 №01 (08)

DOI of Article 10.15407/as2016.01.01

2016 №01 (02)

---

Журнал “Автоматическая сварка», № 1/2016, с. 3-13
 

Характеристики неравновесной дуговой плазмы в канале сопла плазмотрона

А.В. Игнатов^1,2, И.В. Кривцун^1,2, И.Л. Семенов³

¹Китайско-украинский институт сварки им. Е.О. Патона, Гуандунский Генеральный научно-исследовательский институт промышленных технологий (Гуанчжоуский научно-исследовательский институт цветных металлов), г. Гуанчжоу, КНР
²ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ. 03680, г. Киев, ул. Казимира Малевича (Боженко), 11. E-mail: office@paton.kiev.ua
³Немецкий аэрокосмический центр (DLR), г. Мюнхен, Германия. E-mail: igor_semenov@list.ru
 
Реферат
Разработана математическая модель процессов переноса энергии, импульса, массы и заряда в неравновесной плазме электрической дуги, горящей в цилиндрическом канале с водоохлаждаемыми стенками, продуваемом ламинарным потоком плазмообразующего инертного газа. В основу модели положены многожидкостные уравнения для неизотермической, ионизационно-неравновесной дуговой плазмы, в т.ч. с учетом второй ионизации атомов плазмообразующего газа, записанные в дрейфово-диффузионном приближении. Такой подход позволяет с единых позиций описывать процессы, протекающие как в центральной области канала (в плазме столба дуги), так и в пристеночной области (в ионизационном слое плазмы) вплоть до границы слоя пространственного заряда, непосредственно примыкающего к стенке канала. Учет процессов, протекающих в бесстолкновительном слое пространственного заряда и определение характеристик теплового и электрического взаимодействия дуговой плазмы со стенкой канала осуществляется путем использования соответствующих граничных условий на границе указанного слоя. Кроме того, учет наличия в дуговой плазме двухзарядных ионов дает возможность проводить расчет ее характеристик в широком диапазоне значений тока дуги и радиуса канала. Численное решение уравнений предложенной модели проводится методом конечных объемов, для компьютерной реализации которого создано соответствующее программное обеспечение. Проведен детальный численный анализ радиальных распределений характеристик плазмы аргоновой дуги в цилиндрическом канале сопла плазмотрона прямого действия, а также напряженности продольного электрического поля в дуговой плазме и теплового потока из плазмы на стенку канала при различных значениях тока дуги, радиуса канала и расхода плазмообразующего газа. Показано, что в отличие от центральных областей канала, где дуговая плазма является практически равновесной, в пристеночной области реализуется существенная термическая и ионизационная неравновесность плазмы. Показано также, что при увеличении тока дуги и уменьшении радиуса канала необходим учет наличия в дуговой плазме двукратно заряженных ионов. Проведено сравнение результатов моделирования характеристик неравновесной плазмы аргоновой дуги в канале сопла плазмотрона с имеющимися экспериментальными данными. Библиогр. 11, табл. 1, рис. 9.
 
Ключевые слова: дуговой плазмотрон, плазмоформирующий канал, электрическая дуга в канале, неравновесная плазма, математическое моделирование
 
Поступила в редакцию 24.09.2015
Подписано в печать 28.12.2015
 

1. Meier E.T., Shumlak U. A general nonlinear fluid model for reacting plasma-neutral mixtures // Physics of Plasma. – 2012. – 19. – 072508 (11 p).
2. Benilov M.S. The ion flux from a thermal plasma to a surface // J. Phys. D: Appl. Phys. – 1995. – 28. – P. 286–294.
3. Benilov M.S., Marotta A. A model of the cathode region of atmospheric pressure arcs // Ibid. – 1995. – 28. – P. 1869–1882.
4. Almeida M.S., Benilov M.S., Naidis G.V. Simulation of the layer of non-equilibrium ionization in a high-pressure argon plasma with multiply-charged ions // Ibid. – 2000. – 33. – P. 960–967.
5. Almeida N.A., Benilov M.S., Naidis G.V. Unified modelling of near-cathode plasma layers in high-pressure arc discharges // Ibid. – 2008. – 41. – 245201 (26 p).
6. Investigating near-anode plasma layers of very high-pressure arc discharges / N.A. Almeida, M.S. Benilov, U. Hechtfischer et al. // Ibid. – 2009. – 42. – 045210 (11 p).
7. Низкотемпературная плазма / В.С. Энгельшт, В.Ц. Гурович, Г.А. Десятков и др. – Новосибирск: Наука, 1990. – Т.1. Теория столба электрической дуги. – 376 с.
8. A two-dimensional nonequilibrium model of cascaded arc plasma flows / J.J. Beulens, D. Milojevic, D.C. Schram et al. // Phys. Fluids B. – 1991. – 3(9). – P. 2548–2557.
9. Игнатов А.В., Семенов И.Л. Характеристики неравновесной дуговой плазмы в канале сопла плазмотрона // Труды VIII Международной конференции молодых ученых «Сварка и родственные технологии», Ворзель, 2015.
10. Benilov M.S. Multi?uid equations of a plasma with various species of positive ions and the Bohm criterion // J. Phys. D: Appl. Phys. – 1996. – 29. – P. – 364–368.
11. Manteuffel T.A., White A.B. The Numerical solution of second-order boundary value problems on nonuniform meshes // Mathematics of computation. – 1986. – 47. – P. 511–535.