Введение к работе
Актуальность работы.
Низкотемпературная плазма имеет широкое применение в самых различных отраслях науки и техники. Дуговые и высокочастотные плазмотроны, а также плазмотроны с тлеющим разрядом используются в плазмохимии, металлургии, газовых лазерах, космонавтике, авиационной технике, спектрометрии, нанесении защитных и декоративных покрытий, при изготовлении зеркал и многих других областях. И область использования низкотемпературной плазмы продолжает непрерывно расширяться. Это связано с тем, что плазмотроны являются весьма гибким инструментом для научно-технических целей, так как по тепловым, энергетическим и эксплуатационным параметрам охватывает весьма широкий диапазон.
Одним из наиболее важных параметров низкотемпературной плазмы, определяющих физическое состояние газа и эффективность технологического процесса, является температура. Знание температуры, а также ее пространственного распределения необходимо для определения таких основных характеристик плазмы, как коэффициенты электропроводности, теплопроводности, вязкость, концентрация электронов, ионов и нейтральных частиц, оптические свойства, скорость релаксации различных физико-химических процессов, термодинамические свойства и т.д.
Среди известных методов определения температуры плазмы наиболее надежными являются спектроскопические методы, которые обладают рядом важных преимуществ. Они в отличие от зондовых методов не вносят возмущений в исследуемый объект. Не менее важным преимуществом спектроскопических методов является и то, что содержащаяся в калиброванном спектре информация весьма велика.
При спектроскопическом определении распределения температуры в электродуговой и высокочастотной (ВЧ) плазме иногда получаются значительные расхождения результатов. Кроме того, также возникает разница между теоретическими расчетами и результатами экспериментальных измерений. Это связано, в частности, с тем, что наиболее широко распространенные спектроскопические методы дают надежные результаты только тогда, когда свойства плазмы постоянны во времени. Если же плазма нестационарна, то в зависимости от степени нестационарности и характера усреднения исследуемой величины по времени она будет определена с той или иной погрешностью.
Многочисленные исследования пульсаций в открытых дугах, дуговых и высокочастотных плазмотронах показывают, что плазме присущи различные формы неустойчивости, приводящие к крупно и мелкомасштабным пульсациям ее параметров. Пренебрежение такими пульсациями может вносить значительные погрешности в результаты измерений. Поэтому разработка методов, позволяющих рассчитывать реальные характеристики газоразрядной плазмы и провести исследования распределения температуры в плазмотроне с учетом пульсаций, является чрезвычайно актуальной.
Цель работы.
Целью данной работы явилось создание методики определения таких оптических параметров низкотемпературной нестационарной плазмы как радиальные температуры, концентрации частиц и т.д.
Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:
- создать экспериментальную установку, позволяющую исследовать
пульсации параметров исследуемой плазмы и находить распределения темпе
ратуры по радиусу;
исследовать пространственные и временные пульсации параметров осе-симметричной дуговой и высокочастотной плазмы;
по результатам исследований построить функции распределения пульсаций, необходимые для определения оптических характеристик;
разработать математические модели при наличии пульсаций и провести теоретические исследования влияния временных и пространственных пульсаций параметров плазмы на характер распределения интенсивности излучения и радиальной температуры;
экспериментально определить распределения температуры по радиусу и поля температур с учетом пространственных перемещений электрической дуги.
Научная новизна работы.
1. Впервые проведены комплексные экспериментальные исследования
пульсаций тока, напряжения, интенсивности излучения и пространственных
перемещений газоразрядной плазмы; получены функции распределения коле
баний положительного столба от основных составляющих параметров, которые
могут быть использованы при определении истинного распределения интен
сивности по высоте спектральной линии и распределения температуры по ра
диусу в газоразрядной плазме.
Результаты показали, что основными причинами, влияющими на точность измерения температуры плазмы спектроскопическим способом, являются: а) пульсации температуры в каждой ее точке и 6) пространственные колебания дуги.
На основе экспериментальных результатов, разработаны математические модели осесимметричной плазмы и проведено теоретическое исследование влияния пульсаций на характер распределения интенсивности излучения и температуры по радиусу газоразрядной плазмы.
Разработана и применена программа для численного решения уравнения Фредгольма первого рода, необходимая для учета пространственных перемещений дуги при определении интенсивности излучения по высоте дуги.
Впервые определены распределения температур по радиусу газоразрядной плазмы и поля температур в плазмотроне с учетом пространственных перемещений дуги.
На защиту выносятся:
1. Результаты экспериментальных исследований временных пульсаций параметров исследуемой газоразрядной плазмы в широком диапазоне измене-
кия токов, расходов газа и расстояния от катода.
Результаты исследований пространственных перемещений и полученных функций распределения оси дуги исследуемой плазмы в широком диапазоне токов и расходов газа.
Математические модели, объясняющие опытные результаты и позволяющие учитывать влияние пространственных и временных пульсаций газоразрядной плазмы на характер распределения интенсивности излучения и радиальной температуры.
Результаты экспериментального определения радиальных температур и температурных полей с учетом пространственных перемещений дуги.
Практическая ценность. В настоящее время все спектроскопические исследования плазмы проводятся без учета нестационарности ее параметров, что ведет к значительным погрешностям измеряемой величины. Теоретические исследования показали, что пульсации параметров плазмы могут значительно исказить истинный профиль радиальной температуры. Результаты работы дают методику определения оптических характеристик газоразрядной плазмы, позволяющую учитывать ее нестационарность. Результаты работы могут быть рекомендованы для использования в расчетах плазмохимических реакторов, аэродинамических труб и космической техники, основанных на электродуговом способе нагрева газов. Учет пространственных перемещений дуги при определении радиальной температуры позволит получить более точные значения коэффициентов переноса плазмы.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на научных конгрессах, симпозиумах и конференциях: XXIV Iberian latin-american congress on computational methods in engineering, Ouro Preto, Brazil, 2003; 17 International congress of mechanical engineering. Sao Paulo, Brazil, 2003, XXV congresso nacional de matematica aplicada e computacional, Sao Jose do Rio Preto, SP. IBILCE-UNESP, Brazil, 2003; 2002 winter conference on plasma spectrochemistry, Scottsdale, Arizona, USA, 2002; X brazilian congress of thermal engineering and sciences, X ENCIT. Caxambu, Brazil, 2002; XXV congresso nacional de matematica aplicada e computacional. Nova Fridburgo, Brazil, 2002; XXIV congresso nacional de matematica aplicada e computacional, Belo Horizonte, Brazil, 2001; 22 Iberian latin-american congress on computacional methods in engineering. Campinas, SP, Brazil, 2001; IX brazilian congress of thermal engineering and scences, Uberlandia, Encit, Brazil, 2001; XXIII congresso nacional de matmatica aplicada e computacional, Santos, Brazil, 2000; VIII brazilian congress of thermal engineering and sciences, Uberlandia, Encit, Brazil, 2000; XX CILAMCE, 20 Iberian latin-american congress on computacional methods in engineering, Sao Paulo, USP, Brazil, 1999; XXII congresso nacional de matmatica aplicada e computacional, Santos, Brazil, 1999; 1998 winter conference on plasma spectrochemistry. Scottsdale, Arizona, USA, 1998; VII congresso latinoamericano de transferencia de calor у materia, Latcym 98, Argentina, 1998; XXI congresso nacional de matmatica aplicada e computacional, Caxambu, Brazil, 1998; International congress on analytical chemistry, abstracts. Moscow, Russia, 1997; XX congresso nacional de matematica
aplicada e computacional, Gramado, Brazil, 1997; XXX colloquium spectroscopicum internacionale, Melburne, 1997; 1996 winter conference on plasma spectrochemistry. Florida, USA, 1996; VIII encontro nacional de quimica analitica, Brazil, 1995; Научно-техническая конференция "Применение плазменных процессов и порошковых покрытий в промышленности", Свердловск, 1988. XX коллоквиум по спектроскопии, Прага, 1977; IX сибирское совещание по спектроскопии, Томск, 1974; VI всесоюзная конференция по генераторам НТП, Фрунзе, 1974; VIII Сибирское совещание по спектроскопии, Иркутск, 1972; на ежегодных республиканских научно-технических конференциях КГТУ (КАИ), на научных семинарах КАИ, а также ежегодных конференциях и семинарах бразильского университета г. Ижуи.
Результаты диссертации опубликованы в 70 работах. Практически все эти работы выполнялись под руководством автора и при его непосредственном участии. Под руководством автора в период с 1998 по 2004 годы по результатам исследований были защищены 8 диссертаций на степень магистра.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения, списка цитируемой литературы из 186 наименований. Работа изложена на 245 страницах текста, включая 88 рисунков и 15 таблиц.
