Введение к работе
Актуальность работа. Высоковольтные гагоше разряди благодаря широкому диапазону энергетических и динамических параметров налли применение в современных высокоэффективных технологиях (мощные источники света,' генераторы потоков плазмы и ударных волн и др.). Перспективным является их использование для решения разрабатываемся в последнее время проблемы плазменного воспламенения и стабилизации горения топливных потоков в энергетике, эффективного благодаря еы-соі:ой температуре и химической активности плазмы.
Эффективность применения высоксвольтных разрядов в традиционных и ноеых технологиях- опрэделяется уровнем изученности основных закономерностей их поведения в конкретных условиях, а в процессах воспламенения - и явлений, происходящих при воздействии тикетг та химически реагирующие частица.
Репение рассматриваемой проблемы требует комплексного -подхода, вклхзчапцего теоретические и экспериментальные исследования данзпг-' ческих характеристик высоковольтных разрядов и процессов востагг^-нения угольшх частиц плазмой, разработку новых источников плазяы.
Нэучно-ис:гледовательскке работы в указанных направлениях' проводятся в ИТФ СО РАН, ИНГ РАН, МГУ, ИСМ УАН, ИФ НАН Кыргызстана, ИНХС РАЯ, КазКИЙЗкергетики и других организациях.
Работа выполнялась согягепо:
-планов Научного совета АН СССР по проблемам "Физика шгзкотш-перзтурной плазмы" на 1981-19S5rr. и "Низкотемпературная плазма в энергетических установках" на 1986-1990гг.;
-Репюнальной научно-исследовательской програкке "Сибирь" СО АН СССР на 1985-J990гг. по проблеме 02 "Разработка нового плазменного оборудования и технологических процессов для получения ВЕЕБСТВ и материалов";
-отраслевой научно-технической программы Минэнерго СССР ОНТП 00.00.01 "Повышение эффективности использования низкосортных ТОНШЕ на тепловых электростанциях" на 1SS6-1990гг.;
-планов НИР' Института физики НАН Киргкзстана и Киргизско-Российского (Славянского) университета. ^
Цальа работы являлось проведение комплекса ксслєдовнесй, вклю-чагщих разработку математических моделей дкнзкики внеогсоволгьтпых рззрядов в магнитных и газодинамических полях, теоретическое и зко-периментзльное изучение их характеристик и осшеных гакононернсстЕи
взаимодействия угольных частиц с плазкоП, создание и кссдедованиэ новых высоковольтных плазменных устройств для воспламенения пылевидного угля.
Задача исследования включавї:
-разработку модели сильноточного импульсного цилиндрического разряда с учетом взаимодействия токового канала с собственным'маг-пяшм полем и исследование его влияния на динамику и знзргеткчес-кие параметры плазма;
-установление основных механизмов ускорения плазш в коаксиальных импульсных ускоротелях, создание математических моделей и исследование на их основе динамики импульсной плазмы в канала;: и на выходе из устройств в широком диапазона внешних параметров;
создание нового высоковольтного источника плазмы - многофазной слаботочной дуги переменного тока и экспериментальное исследование ее динамических, теплофизичееккх к энергетических характеристик а потоке воздуха;
. -развитие теории пространственно-временной динамики высоковольтной слаботочной дуги, исследование ее эволюции, температурных и газодинамических полей во внешних газодинамических и магнитных полях;
-анализ плазменных эффектов, сопровоздахщих процессы инициирования горения угольных частиц, построение моделей горения часткц с учетом основных высокотемпературных физических явлений и исследо-ванкг закономерностей их всопламакения с помощью высоковольтных сильно- в слаботочных разрядов;
-выявление наиболее эффективного и практически реализуемого способа восплааешния шлеугольиого топлива высоковольтными разрядами, создание и исследование высоковольтного плазменного устройства для его осуществления.
Научная еошзнв работы:
1.Построена новая автомодельная теория импульсных цилиндрических разрядов, основанная на реоении КГД урааненкй с учетом влияния собственного магшггЕого поля, и исследована их динамика в воздухе.
2.Впервые показана определящая роль термогазодинашческого кеханкзыа ускорения плазма в коаксиальных импульсных устройствах высокого давления. Разработаны аналитические и численные модели динамики Емпульсной плазмы с учетом электромагнитного и термогазоди-нажгееского механизмов ус:;зрения, исследованы специфические особен-
ности и основные закономерности двізения плземєнпого елся прл различии давлениях, геометриях канала ускорителя и параметрах злек-тричвекой цепи.
3.Создана многофазная высоковольтная слаботочная дуга переменного тока, горящая в потоісе газа, экспвржэпталыго изучена ее дкна-мика :і осиовные энергетические характеристики прл различных токах, скоростях ' воздуха и геометрических паргзеэтрах їпюгозлеіггродпсго пласматрона.
4.Развита модель пространстсзнпо-вргмэнкоЯ динамики Форш длинной слаботочной дуги, аналитически и численно изучены ее характеристики ро внванпх газодинамических и магнитных полях.
5.Проанализированы плазмггаке зффекта, сопрошддащпе процесс инициирования горения уголыых частиц. Построены модели и псслэдр-вано влияние самодпффузии и сублимации углерода на гореппз частиц в плазменных условиях. Проведено численное ксслэдованкэ восшЕГлзпзнгл шлеугольного потека высоковольтной слабото'-гпоа дугой прл двталшет описании киштпгга химических реакций.
Прс-ияческся цзнпввгь работа:
1. Разработана оригинальная геометрия разрядной камера коаксиального ускорителя, обеспечивающая плоскую, форму плазменного слоя на его шходэ и благоприятные условия при воздействии на дисперсные среда. Показана принципиальная возможность использования импульсной плаз?.'Л для воспламенения угольных частиц.
2.Разработав и оптимизированы новые конструкции трех- и сео-тиэлектродных высоковольтных плазмотронов переменного тока, генври-рупцих протяженную слаботочную дугу в потоке газа.
3.Исследованы основные закономерности, инициирования горения угольных частиц 'плазмой высоковольтных разрядов, определены необходимые для этого уровни мощности плазмы.
4.Проведеш исследования и опытно-промышленная проверка кного-злектродных высоковольтных плазменных устройств для воспламенения пыхеугсльнсго топлива в энергетическом котле.
Основные научно-технические "решения по разработке ексоковольт-ннх плазменных устройств защипена 7 авторскими, свидетельствами.
Результаты исследования динамики импульсных разрядов использованы в институте сверхтвердых материалов АН Украины для оптимизации импульсной установки и процесса нанесения порозкошх покрытий, теория протяженной дуги - в Институте физики НАН Кыргызстана при изучении динамики дуг в магнитных полях в устройствах для плазменной обработки поверхЕостеЗ.
Ссновїмє положеная, выносимые на защиту:
1.Математические модели и результаты теоретического исследования динамики сильноточных импульсных разрядов. Вывод об <м»ределяіо-цей роли термогазодинамического механизма ускорения плазма в коаксиальных импульсных устройствах высокого давления. Способ создания плоского плазменного слоя в короткой разрядной камере.
2.Результаты экспериментальных исследований динамики и энергетических характеристик многофазной высоковольтной слаботочной дуги переменного тока в потоке воздуха.
3.Модель пространственно-временной динамики формы протяженной слаботочной дуги и результаты исследования ее характеристик во внешних магнитных и газодинамических.полях.
4.Математические модели и результаты теоретического исследования процессов инициирования горения угольных частиц с помощью плазмы высоковольтных разрядов.
5.Результаты разработки многоэлектродных высоковольтных плазменных устройств к их исследования при воспламенении пылеугольного топлива в энергетическом котле.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы
-15-й и 20-й Международных конференций по явлениям в ионизо-ваншх газах(Минск,1981;Барга,йгалия,19Э1), ю_м и' 13-м Международных симпозиумах по физике ионизованного газа(Дубровник,1980;Шибе-ник, 1986,Югославия).- 9-м и 10-м Международных симпозиумах по плаз-мохимиии(Щггношио,Италия.1989;Бохум,Германия,1991), 2-м Международном .симпозиуме по многофазным потокам и теплообмену(Сиань,Китай, 1989), 2-м Европейском конгрессе по процессам в термической плазме (Парка,1992), Международной симпозиуме по теоретической и прикладной плазмохшии(Ркга,1Э91), международных рабочих совещаниях "Высокотемпературные запыленные струи. в процессах обработки порошковых материалов"(Новосибирск,І988).и "Плазменные струи в разработке новых технологий обработки материалов'? (Фрунзе, 1990);
-9,10 и 11-й Всесоюзных конференциях по генераторам низкотемпературной плазмы(Фрунзе,1983;Каунас,1986;Новосибирск,1989), 5-й и 6-й Всесоюзных конференциях по физике газового разряда (Омск, 1990; Казань,1992), 8-й Всесоганой конференции по физике низкотемпературной плазмы (Минск, 1991), 2-м Всесоюзном совещании по физике электрического пробоя газов (Тарту,1984), 6-м и 7-м Всесоюзных съездах
по теоретической и прикладной механике (Ташкент,1986; Москва,1991), 11-м и 12-м Научно-практических семинарах го электрофизике горения (Караганда,19В8,1989), Всесоюзной конференции "Теплообмен в парогенераторах" (Новосибирск, 19В8), Всесоюзной научно-практической конференции "Проблемы энергосбережения"(Киев,1991), Всесоюзных совещаниях по горению(Москва,ВП1,1ЭВ6-90), Всесоюзном совещании "Разработка и применение технологических генераторов термической'плазмы" (Новосибирск,ИТФ, 1989), выездной сессии Научного совета АН СССР по плаз-мохимии(Фрунзе,1987), заседании секции Научного совета АН СССР по проблеме "Физика низкотемпературной плазмы"(Москва.ЕВТАН,1989);
-на научных семинарах в МГУ, ИСК УАН, ИПМ УАН, ШНАН КР, КРСУ.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 40 печатных научных работ, из них 4 монографии, 9 статей, 27 тезисов докладов. На научно-технические разработки получено 7 авторских свидетельств на изобретения.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, семи глаз, тематически разбитых на три части, заключения, приложения и списка литературы из 345 наименований. Объем работы составляет 435 страниц, включая 370 страниц машинописного текста, 120 рисунков, 2 таблицы.