Теплообмен и газодинамика в высокочастотном индукционном и дуговом разрядах при атмосферном давлении

• Автор: Герасимов, Александр Викторович
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Казань
• Количество страниц: 285 с. : ил.

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР
1.1. Предисловие
1.2. Исследования газодинамики ВЧИ-разрядов
1.3. Неравновесность плазмы ВЧИ-разряда атмосферного давления
1.4. Аналитические исследования температурных полей ВЧИ-разряда
1.5. Исследования температурных полей и газодинамики дугового 44 разряда
ГЛАВА 2. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЕЙ
ТЕМПЕРАТУРЫ ВЧИ-ПЛАЗМЫ В ПРИОСЕВОЙ ОБЛАСТИ ПЛАЗМЕННОГО СГУСТКА
2.1. Расчет поля температуры вблизи оси ВЧИ-разряда в случае 46 идеального индуктора
2.2. Температурные поля вблизи оси ВЧИ-разряда в случае индуктора 50 конечных размеров (без учета излучения)
2.3. Одномерная однотемпературная модель излучающей плазмы 62 (Модель Эккерта)
2.4. Двухмерная однотемпературная модель
2.5. Двухмерная двухтемпературная модель баланса энергии плазмы 75 высокочастотного индукционного разряда вблизи оси плазменного сгустка
2.6. Анализ расчетных данных и их сопоставление с данными 93 оптического эксперимента
ГЛАВА 3. РАСЧЕТ ПОЛЯ ТЕМПЕРАТУР В КАНАЛЕ ДУГИ 13
ПОСТОЯННОГО ТОКА
3.1. Квазиравновесная каналовая модель дуги постоянного тока

3.2. Расчет газовой и электронной температур в канале дуги
постоянного тока
ГЛАВА 4. СТРУКТУРА ВЫСОКОЧАСТОТНОГО
ИНДУКЦИОННОГО РАЗРЯДА
4.1. О зонах максимума электропроводности, плотности тока и 178 мощности тепловыделения в высокочастотном индукционном разряде
4.2. Определение закона сгущения точек ц , соответствующих точкам
максимумов величин стЕ^1 на оси г по направлению к периферии плазмоида
ГЛАВА 5. ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛООБМЕНА И ГАЗОДИНАМИКИ 198 НА ОСИ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ИНДУКЦИОННОГО РАЗРЯДА
5.1. Неподвижная точка высокочастотного индукционного разряда
5.2. Влияние профиля осевой температуры на профиль осевой 205 скорости в высокочастотном индукционном разряде
5.3. Поверхность раздела прямого и возвратного течений внутри
высокочастотного индукционного разряда
ГЛАВА 6. ПАРАДОКС ФОН ЭНГЕЛЯ-ШТЕЕНБЕКА В ДУГОВОМ
РАЗРЯДЕ И В ВЫСОКОЧАСТОТНОМ ИНДУКЦИОННОМ
РАЗРЯДЕ
6.1. Каналовая модель продольно обдуваемой дуги постоянного тока
6.2. Высокочастотный индукционный разряд в потоке газа
РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
ЛИТЕРАТУРА

В последнее время все большее значение приобретают технологические процессы и установки, основанные на применении низкотемпературной плазмы. Высокочастотные индукционные (ВЧИ) и дуговые плазмотроны постоянного тока в настоящее время находят широкое применение, как достаточно простые и дешевые источники низкотемпературной плазмы, пригодные как для целей лабораторного моделирования взаимодействия плазмы с различными твердотельными поверхностями, для исследования характеристик гетерогенных плазм, т.е. плазменных сред с включениями жидкой или твердой фазы, так и для промышленного использования в разнообразных плазменных технологиях. Имеется обширная литература, посвященная и экспериментальному и теоретическому исследованию разрядов в индукционных ВЧ-плазмотронах, включая в том числе и работы по прямому численному моделированию. Однако наличие большого числа работ по обсуждаемой теме еще не служит признаком того, что все вопросы теории и практического использования успешно разрешены, а скорее лишь свидетельствуют о наличии к ним устойчивого интереса. Наконец, хотя естественное развитие науки приводит к разработке все более мощных и совершенных программных продуктов для целей прямого численного моделирования сложных физических явлений, по праву претендующих на адекватное описание явления, все же неизменно остается своеобразная 'ниша' для достаточно простых аналитических методов исследования (в том случае, конечно, когда они дают корректную качественную и количественную картину явления). Причина этого состоит в том, что детальное численное моделирование, даже тогда когда оно возможно, как правило представляет собой весьма трудоемкую научную проблему, которая оказывается по силам лишь специалистам-профессионалам. В то

точного расчета распределения температуры вблизи оси ВЧИ-разряда необходимо рассмотреть двухмерное уравнение энергии.
2.2 Температурные поля вблизи оси ВЧИ-разряда в случае индуктора конечных размеров (без учета излучения)
Вновь рассмотрим уравнение энергии (2.1). Для модели реального индуктора в уравнении (2.1) учтем члены, содержащие производные по координате г. Как и в случае идеального индуктора пренебрежем членами, учитывающими конвективный теплообмен и потери на излучение. Также примем условия цилиндрической симметрии.
С учетом вышеизложенного уравнение энергии (2.1) запишется в виде
1 д(, дГл
Яг—
г дг дг
—(я—
ск дг
= аЕ29.
(2.5)
Как видно уравнение (2.5) неоднородно. Решение данного уравнения представляет собой сумму решений однородного и неоднородного уравнений. Поэтому рассмотрим сначала решение однородного уравнения

_д_
г 3•
(. дг 3 Г, аг
Яг — я—
V дг дг 1 дг.)
= 0.
(2.6)
г з 3'
—(я—
ск дг
Коэффициент теплопроводности X, как и в случае идеального индуктора, полагается независимым от температуры. Тогда