ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В ТРУБЧАТОМ ПЛАЗМОТРОНЕ

Титов В.В.

Заключение

Плазмотрон промышленного назначения - устройство весьма энергонапряженное, любые ошибки в его конструкции или эксплуатации чреваты достаточно тяжелыми последствиями, поэтому предусмотреть и просчитать все, что касается конструкции и эксплуатационных режимов плазмотрона, до изготовления самого плазмотрона в металле - это естественный ход, который может сберечь время, деньги и иные ресурсы и избежать возможных ошибок (или хотя бы части из них).

Однако большинство характеристик плазмотрона и отдельных его узлов аналитически просчитать либо невозможно, либо чрезвычайно трудно и ненадежно из-за громоздкости расчетных соотношений и необходимости упрощающих допущений. В этих случаях выручает метод математического моделирования конструкций и процессов, свободный от этих ограничений. Таким способом была всесторонне исследована конструкция торцевого катода плазмотрона во множестве вариантов ее исполнения, оценены предельные эксплуатационные возможности разных вариантов и выявлены наиболее перспективные принципы построения сложных катодов сильноточного плазмотрона.

Математическое моделирование процессов в разрядном пространстве плазмотрона с помощью программного пакета Femlab позволило получить первые картинки распределения потенциала в самом критическом участке - прикатодной области. Таким способом удалось оценить роль различных физических процессов в формировании катодного пятна и убедиться, что учет только теплопроводности и омического нагрева током дает картину распределения потенциала, очень близкую к тому, что наблюдается в реальных устройствах подобного типа. Конечно, полученные результаты можно расценивать только как ориентировочные, поскольку физические параметры воздушной плазмы (теплопроводность, теплоемкость и электропроводность) при температурах в десятки тысяч градусов, характерных для этого процесса, никогда и никем не измерялись, так что для их подстановки пришлось провести экстраполяцию на весьма приличные расстояния.

Довольно интересно то, что полученные в модели значения плотности тока в катодном пятне на три порядка меньше общепринятых значений, но при этом обеспечиваются основные экспериментально наблюдаемые процессы (эрозия, плавление и разбрызгивание материала катода, скачкообразное перемещение катодного и анодного пятен) даже без привлечения дополнительных механизмов. Такое расхождение еще требует дополнительного изучения.

Работа по всем направлениям, обсуждавшимся здесь, продолжается и настоящий материал можно рассматривать лишь как начальный этап работы над конструкцией сильноточных трубчатых плазмотронов постоянного тока.

О распределении температуры и электрического поля в районе катода

Оглавление