Рис. 6. Характерные распределения линий тока газа (G(r,z)/G0=0,01, 0,1, 0,3, 0,6, 0,9, 1,1) и линий электрического тока (шаг 0,1) в зависимости от расхода газа: G= 1 (а), 4 (б) г/с; I0=200 A.
Рис. 7. Распределения температур в сечениях z=3 (1), 5 (2), 9 (3) см; G= 1 (а), 4 (б) г/с; I0=200 A.
Рис. 8. Изменения удельного тепловыделения IE и теплоотвода в стенку QR (пунктир) в зависимости от расхода (а, I=200 А): G=1 (1), 2 (2) 4 (3) г/с и силы тока (б, G=1г/с): I=50 (1), 100 (2) 200(3) A; отсчет координаты z от среза катода.
Рис. 9. Распределения температуры тяжелых частиц за уступом анода в зависимости от расхода газа (а, I=200 A): G 1 (1), 2 (2), 4 (3) г/с и силы тока (б, G=1г/с): I=50 (1), 100 (2) 200(3) A; отсчет координаты z от уступа канала
Определяющее влияние на фиксацию длины дуги уступом оказывает тепловое поле дуги, граница которого за счет интенсивной турбулизации потока быстро смещается к стенкам анода, и на расстояниях порядка нескольких длин высоты уступа происходит смыкание токопроводящего канала дуги с поверхностью электрода. Относительная длина зоны отрыва потока Дz/Дh (Дh=R2-R1) составляет ~ 3 единиц (рис. 6) и слабо меняется при вариации расхода газа и силы тока (G=1-4 г/с, I=50-200 A). Численное возмущение положения анодной привязки дуги при фиксированных значениях G, I не приводит к ее существенному смещению. Удержанию области привязки дуги к аноду способствует тороидальный вихрь, образующийся за уступом канала (рис. 6), и большие потоки тепла на стенку QR ~ 100-200 кВт/м вблизи зоны рециркуляции (рис. 8). Здесь в пристеночной области заметно возрастает и температура тяжелых частиц (рис. 9). При увеличении интенсивности закрутки газа уровень кондуктивных потерь незначительно снижается. Более заметное влияние на напряжение горения дуги оказывает расход газа, чем сила тока. При I > 50 A реализуется возрастающая вольт-амперная характеристика.
Заключение
Двух температурная модель электрической дуги в турбулентном потоке газа учитывает основные процессы формирования дугового потока в канале плазмотрона со ступенчатым электродом, что качественно подтверждается согласием результатов расчета с экспериментальными данными. Используемый метод численного решения позволяет выявить закономерности развития дуги в турбулентном потоке газа и установить влияние газодинамических и геометрических параметров плазмотрона на характеристики дугового потока.
Литература
1. Энгельшт В.С., Гурович В.Ц., Десятков Г.А. и др. Теория столба электрической дуги. - Т. 1. - Новосибирск: Наука СО, 1990. - 376 с.
2. Жайнаков А., Урусов Р.М., Урусова Т.Э. Численный анализ неосесимметричных электрических дуг. - Бишкек: Илим, 2001. - 232 с.
3. Паневин И.Г., Хвесюк В.И., Назаренко И.П. и др. Теория и расчет приэлектродных процессов. - Т. 10. - Новосибирск: Наука СО, 1992. - 197 с.
4. Жуков М.Ф., Засыпкин И.М., Тимошевский А.Н. и др. Электродуговые генераторы термической плазмы. - Т. 17. - Новосибирск: Наука, СП РАН, 1999. - 712 с.
5. Жуков М.Ф., Коротеев А.С., Урюков Б.А. Прикладная динамика термической плазмы. - Новосибирск: Наука СО, 1975. - 298 с.
6. Аньшаков А.С., Жуков М.Ф., Сазонов М.И., Тимошевский А.Н. Исследование плазмотрона с восходящими вольт-амперными характеристиками // Изв. Сиб. отд. АН СССР. - 1970. - № 8. Вып. 2. - Сер. техн. наук. - С. 3-11.
7. Артемов В.И., Левитан Ю.С., Синкевич О.А. Неустойчивости и турбулентность в низкотемпературной плазме. - М.: МЭИ, 1994. - 412 с.
8. Киселев И.В., Слободянюк В.С., Энгельшт В.С. Численное моделирование турбулентных явлений в электродуговой плазме. - Бишкек: Илим, 1993. - 72 с.
9. Колесников В.Н. Дуговой разряд в инертных газах // Физическая оптика. - М.: Наука, 1964. - Т. 30. - С. 66-157.
10. Лелевкин В.М., Семенов В.Ф. Аэродинамика закрученного потока газа в диафрагмированном канале плазмотрона // Теплофизика и аэромеханика. - 2002. - Т. 9. - № 1. - С. 37-53.
11. Артемов В.И., Синкевич О.А. Численное моделирование взаимодействия электрической дуги с турбулентным потоком газа. Дуга в длинном цилиндрическом канале // ТВТ. - 1986. - Т. 24. - № 2. - С. 288-294.
12. Лелевкин В.М., Семенов В.Ф. Расчет течения закрученного потока газа в диафрагмированном канале плазмотрона // ТВТ. - 2002. - Т. 40. - № 4. - С. 544-551.
13. Лелевкин В.М., Семенов В.Ф. Расчет течений в канале плазмотрона с учетом формы и расположения электродных узлов // XXVI Сибирск. теплофизич. семинар. Тез. докл. - Новосибирск, 2002. - С. 160-161.
14. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 152 с.
15. Лелевкин В.М., Семенов В.Ф. Численное моделирование характеристик открытой сильноточной дуги // Теплофизика и аэромеханика. - 2002. - Т. 9. - № 2. - С. 325-331.