Особенности течения электродуговой плазмы и границы перехода от ламинарного режима к турбулентному в плазмотронах

• Автор: Чикунов, Сергей Евгеньевич
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 105 с. : ил.

Актуальность проблемы

Цель работы

Научная новизна

Положения, выносимые на защиту

Практическая ценность

Достоверность полученных результатов

Апробация работы

Публикации

Структура и объем работы

Глава 1. Ламинарные электродуговые течения в канале плазмотрона и проблема перехода к турбулентности (обзор)

1.1. Начальный и стабилизированный участки плазмотрона

1.2. Проблема определения границы перехода течения плазмы от ламинарного режима к турбулентному
1.3. Выводы по Главе
Глава 2. Обобщенные профили Пуазейля в течениях плазмы на стабилизированном участке канала плазмотрона
2.1. Описание модели
2.2. Аналитическое решение уравнения баланса энергии
2.3. Аналитическое решение уравнения движения
2.4. Гидравлическая характеристика плазмотрона
2.5. Численное моделирование стабилизированного течения плазмы в канале плазмотрона
2.6. Выводы по Главе
Глава 3. Критическое число Рейнольдса в течениях плазмы на стабилизированном участке плазмотрона
3.1. Результаты экспериментальных исследований
3.2. Определение критерия перехода от ламинарного течения к турбулентному
3.3 Выводы по Главе
Заключение
Содержание диссертации опубликовано в следующих работах
Список литературы

Электродуговые генераторы низкотемпературной плазмы (плазмотроны) нашли широкое применение во многих отраслях науки и техники. Их активное использование обусловлено, прежде всего, простотой конструкции и достаточной легкостью в управлении режимами работы. По своим тепловым, энергетическим и эксплуатационным параметрам плазмотроны охватывают широкий диапазон значений. Тепловую мощность этих устройств можно варьировать от десятков ватт до десятков мегаватт, температуру - от 1 ООО до 50 ООО К, эффективный кпд нагрева может доходить до 90%, ресурс непрерывной работы — до 1 ООО часов. Благодаря этим качествам в некоторых отраслях техники и промышленности плазмотроны стали единственным и незаменимым средством разрешения ряда проблем, позволившим осуществить новые технологические процессы, которые принципиально невозможно было реализовать ранее известными методами.
Вместе с тем процесс разработки электродуговых генераторов сопряжен со значительными трудностями, которые обусловлены сложностью и малой изученностью физических явлений, протекающих в плазмотронах. Одна из характерных особенностей этих явлений - высокая степень неоднородности полей скорости и температуры и, соответственно, сильная нелинейность тепло-и электрофизических свойств дуговой плазмы. В таких условиях, как показано в [1, 2], теория подобия имеет ограниченное применение. Следовательно, возникают проблемы с критериальным обобщением результатов экспериментов, проведенных для электрических дуг, горящих в разных газах и в различных диапазонах рабочих параметров плазмотрона. Ограниченное подобие физических процессов в электродуговых течениях неизбежно приводит к необходимости проведения трудоемких натурных экспериментов всякий раз, когда возникает потребность в разработке новой конструкции плазмотрона или при переходе от одного рабочего газа к другому. Можно смело утверждать, что широкое внедрение разнообразнейших по конструкции плазмотронов в различных отраслях промышленности стало возможным только

простой вид этих уравнений позволяет использовать аналитические методы для получения радиальных распределений скорости и температуры, а также для построения интегральных электрической Е(і,сім) и гидравлической
характеристик плазмотрона. Наиболее изученной является
сі г
тепловая задача, основанная на уравнении Эленбааса-Геллера.
Широкое распространение при аналитическом подходе к решению этой задачи получила каналовая модель, в которой сечение канала разбивается на внутреннюю проводящую область радиусом гс, через которую протекает
электрический ток, и внешнюю непроводящую область. Из-за того, что гс является искусственно введенной величиной, основная система уравнений каналовой модели оказывается незамкнутой. В рамках каналовой модели существует целый ряд подходов к нахождению замыкающих соотношений, основанных главным образом на аппроксимации реальных зависимостей электропроводности и функции излучения от температуры простыми модельными соотношениями. Сопоставление результатов применения наиболее распространенных замыкающих соотношений для дуг в аргоне атмосферного давления показало, что для оценки характеристик столба дуги в широком диапазоне ее параметров можно рекомендовать модель Меккера [34].
Что касается гидродинамической задачи, то здесь следует особо отметить отсутствие каких-либо аналитических исследований уравнения Пуазейля и гидравлической характеристики плазмотрона на стабилизированном участке электрической дуги. По-крайней мере, автору диссертации такие работы неизвестны.
Переход электродугового течения от ламинарного режима к турбулентному является одной из сложнейших проблем гидродинамики плазмы. Сложность обусловлена, прежде всего, высокой степенью неоднородности полей скорости и температуры и, следовательно, сильной переменностью тепло- и электрофизических свойств плазмы. Кроме того, в