Київський національний університет імені Тараса Шевченка

 

Вплив аеро-динамічних властивостей прямоточного плазмотрона на структуру плазмового факелу

 

Кваліфікаційна робота бакалавра
студента 4-го курсу
кафедри фізичної електроніки
факультету радіофізики
електроніки та комп’ютерних систем Рябокриса Павла Андрійовича

 

Науковий керівник
старший науковий співробітник
кандидат фіз.-мат. наук
Ольшевський Сергій Валентинович

 

Рецензент
__

 

 

Допустити до захисту в ДЕК
Зав. кафедри фізичної електроніки проф. Веклич А. М.
Протокол № засідання кафедри
фізичної електороніки від __.06.16

 

 

Київ 2016

РЕФЕРАТ

Випускна кваліфікаційна робота бакалавра: 23 с., 30 рис. 9 джерел.

 

У цій роботі викладено результати моделювання газо-динамічних властивостей прямоточного плазмотрона у середовищі FlowVision v2.5.. Досліджено газо-динамічні потоки у області горіння плазмового факелу при різних відстанях між електродами та при різних швидкостях накачки повітря крізь плазмотрон. Також досліджено і порівняно варіанти з різною формою робочої поверхні електродів.

 

МОДЕЛЮВАННЯ, FLOWVISION, ПРЯМОТОЧНИЙ ПЛАЗМОТРОН, ПЛАЗМОВИЙ ФАКЕЛ.

 

 

 

 

Зміст

1. Вступ....................................................... 3

1.1. Теоретичне застосування прямоточного плазмотрона для плазмо-хімічної деструкції СОЗ................................... 4

1.2. Конструкція прямоточного плазмотрона.....................5

2. Дослідження газодинамічних властивостей прямоточного плазмотрона за допомогою середовища FlowVision v2.5........................ 6

2.1. Моделювання газового потоку у плазмотроні для варіанту електродів з плоскою робочою поверхнею та відстанню між електродами 1мм........................................ 8

2.2. Порівняння моделей з відстанню між електродами 1 мм
та 0,5мм................................................13

2.3. Дослідження моделі з максимальною відстанню між електродами та її порівняння з попередніми варіантами.................. 17

2.4. Порівняння моделей з різною геометрією електродів..........21

3. Висновок................................................... 22

4. Перелік використаної літератури................................23

4.1.

1. Вступ

Плазмотрон – пристрій, для створення густої (тиск порядку атмосферного) низькотемпературної (Т менше 10⁴ К) плазми з допомогою електричних розрядів у газах, що дає плазмовий потік.

Перші дослідження іонізованого газу електричних розрядів проводив Вільям Крукс у 1879 році. Поняття «плазма» вперше ввів Ірвінг Ленгмюр у 1923 році. Цим поняттям, Ленгмюр описував іонізований газ, що утворювався у експериментах при проходженні надзвичайно сильних змінних струмів у газі. Пізніше Ленгмюр створив методи дослідження електронної температури та іонної концентрації за допомогою спеціального електрода (нині відомий, як Щуп Ленгмюра).

Принцип роботи плазмотрона простий: холодний газ подають неперервним потоком через область, де запалюється стаціонарний дуговий розряд. Газ розігрівається, іонізується, перетворюється на плазму і видувається з області горіння розряду.

На практиці часто використовуються плазмотрони на дуговому розряді, розряді Пеннінга, ВЧ-розряді та НВЧ-розряді. Імпульсні джерела плазми, засновані на іскровому розряді до плазмотронів не відносяться.

Визначення: розряд Пеннінга – тліючий розряд у повздовжньому магнітному полі. Вперше досліджений у 1937 році Франсем Мішелем Пеннінгом.

Розробка пристроїв що підпадають під опис плазмотрона почалася ще у 10-х роках 20-го століття. Сам термін «плазмотрон», як водиться, з’явився пізніше – у 50-х роках.

Зараз плазмотрони застосовуються багатьма способами. Це зварювання та різка металів та тугоплавких матеріалів, плазмове напилення плівок у атмосфері, вакуумі або контрольованому газі, отримання нанодисперсних порошків металів та їх сполук для металургії, накачка потужних газових лазерів, безмазутне розпалювання вугільних котлів електростанцій та багато інших.

Але най важливішим застосуванням, здається є плазмо-хімічна деструкція стійких органічних забруднювачів (СОЗ), оскільки це питання потребує продовження досліджень і плазмотрони, як плазмоутворювачі, мають значний потенціал у цій області.

 

1.1. Теоретичне застосування прямоточного плазмотрона для плазмо-хімічної деструкції СОЗ

 

За свою історію, світова хімічна промисловість пройшла дуже стрімкий і бурхливий шлях розвитку. Відкриття і синтез великої кількості складних хімічних речовин значно розширили спектр задач всіх напрямків промисловості. Як наслідок, відбулось значне покращення комфорту життя, значно збільшились можливості техніки, відбувся небувалий розвиток медицини. Але вже у 50-х роках 20-го століття постала серйозна екологічна проблема. Значна кількість промислових районів і великих міст Європи та Сполучених Штатів Америки спричиняли руйнівний вплив на екосистеми великих територій навколо себе. В якості прикладу можна привести вуглеводневе паливо, яке при спалюванні дає діоксид вуглецю, що впливає на глобальну зміну клімату; термостійкі добавки до масел – поліхлоровані біфеніли (ПХБ), проявляють негативні ефекти на здоров’я людини; канцерогенні барвники; високомолекулярний полівінілхлорид (ПВХ), спалювання залишків якого дає найбільш токсичні речовини на планеті – діоксини та фурани; азотомісткі добрива, які приводять до накопичення в організмах токсичних нітрит-іонів; хлорорганічні та фосфорорганічні пестициди (включаючи ДДТ).

Серед інших способів утилізації стійких органічних забруднювачів існує порівняно новий напрям – плазмо-хімічна деструкція. Уже проведені дослідження показали ефективність використання плазми розряду як середовища, у якому руйнуються такі токсичні речовини як ДДТ. Проте загалом, механізми плазмо-хімічної деструкції ще потребують дослідження.

Досліджуваний у даній роботі плазмотрон потенційно може бути застосовний до вирішення проблеми деструкції СОЗ у газовій фазі. Але поки-що дана конструкція прямоточного плазмотрона потребує дослідження.

 

1.2. Конструкція прямоточного плазмотрона

Установка представляє собою керамічну трубку з внутрішнім радіусом 22,5 мм та довжиною 20 см, в яку вміщено 2 повнотілі циліндричні електроди, радіусом по 10 мм та довжиною 13 см.

Конструкція циліндричного прямоточного плазмотрона наведена на рис.1.

Рис.1. Прямоточний циліндричний плазмотрон:
1 – вхідний отвір; 2 – вихідний отвір; 3 – циліндричні електроди; 4 – контакти електродів, що також закріплюють електроди у нерухомому положенні.

У конструкції плазмотрона реалізована можливість змінювати відстань між електродами у межах від 0,5 мм до 2,5 мм.

На електроди подається напруга 1 – 3 kV, в результаті чого між електродами пробивається дуговий розряд, який видувається потоком повітря в сторону вихідного отвору, де формує плазмовий факел. Зображення плазмового факелу подане на рис.2.

Рис.2. Фотографічне зображення плазмового факелу

 

2. Дослідження газодинамічних властивостей прямоточного плазмотрона за допомогою середовища FlowVision v2.5

 

В рамках дослідження газо-динамічних властивостей установки було побудовано та обраховано ряд моделей що відрізнялись різною відстанню між електродами, різною швидкістю газового потоку та різною формою електродів.

Були досліджені потоки у моделях з наступними параметрами:

- Об’єм газу, що проходить крізь плазмотрон: 30 Л/хв., 50 Л/хв., 70 Л/хв., 100 Л/хв.

- Відстань між електродами: 0,5 мм, 1 мм, 2,4 мм (максимальна відстань).

- Форма електродів: плоска робоча поверхня, напівсферична робоча поверхня.

Підчас моделювання фіксувалися 4 параметри: розподіл Х-координати швидкості потоку у площині ХОZ, розподіл тиску у площині ХОZ, розподіл Y-координати швидкості у площині YOZ, розподіл тиску у площині YOZ.

Усі розподіли були отримані у вигляді зображень у ізолініях.

Визначення: ізолінії – лінії на зображенні розподілу, вздовж яких деяка обрана величина незмінна.

У всіх моделях електроди розташовані вздовж осі ОХ.

Приклад зображень, отриманих при розрахунку моделі, наведено на рис.3 та рис.4.

Рис.3. Приклад зображення у ізолініях розподілу Х-компоненти швидкості потоку у площині ХОZ

Рис.4. Приклад зображення у ізолініях розподілу відносного тиску у площині ХОZ

Шкала значень тиску, на Рис.4 подана у паскалях.

 

2.1. Моделювання газового потоку у плазмотроні для варіанту електродів з плоскою робочою поверхнею та відстанню між електродами 1мм

Відстань між електродами – 1 мм, швидкість протікання газу – 30 Л/хв.: розподіл Х-компоненти швидкості потоку (рис.5а) та тиску (рис.5б) у площині ХОZ

 

 

Рис.5. Зображення у ізолініях розподілу а) Х-компоненти швидкості
б) відносного тиску у площині XOZ
в) фотографічне зображення плазмового факелу

 

Розподіл тиску та Y-компоненти швидкості у площині YOZ (між електродами) при тих-же умовах подано на рис.6.

Рис.6. Зображення розподілу тиску та Y-компоненти швидкості потоку у площині YOZ

 

Зображення, отримані для тієї-ж моделі при швидкості протікання газу крізь плазмотрон – 50 Л/хв. подані на рис.7 (площина XOZ) та рис.8 (площина YOZ).

Рис.7. Зображення у ізолініях розподілів а) Х-компоненти швидкості потоку б) тиску у площині XOZ
в) фотографічне зображення плазмового факелу

Рис.8. Зображення у ізолініях розподілів а) Y-компоненти швидкості потоку б) тиску у площині YOZ

Зображення розподілів тиску та поперечної швидкості для тієї-ж моделі (відстань між електродами – 1 мм) при швидкості протікання газу крізь плазмотрон – 70 Л/хв.

 

Рис.9. зображення розподілу а) поперечної швидкості б) тиску у площині XOZ
в) фотографічне зображення плазмового факелу

Рис.10. розподіл а) поперечної швидкості б) тиску у площині YOZ

Зображення розподілів тиску та поперечної швидкості для швидкості натікання газу – 100 Л/хв на рис.11. та рис.12.

Рис.11. Зображення у ізолініях розподілу а) Х-компоненти швидкості потоку
б) відносного тиску у площині XOZ
в) фотографічне зображення плазмового факелу

Рис.12. Зображення у ізолініях розподілу а) Y-компоненти швидкості потоку
б) відносного тиску у площині YOZ

 

2.2. Порівняння результатів моделей з відстаннями між електродами 1 мм та 0,5мм

 

Зображення розподілів поперечної швидкості та тиску у моделі з відстанню між електродами 0,5 мм при швидкості подачі повітря через плазмотрон – 30 Л/хв. подані на рис.13. та рис.14.

Рис.13. Зображення розподілів а) Х-компоненти швидкості та б) тиску у площині XOZ

Порівнюючи рис.13 з рис.5 можна побачити, що при меншій відстані між електродами стрибок тиску біля електродів більший, вихори набагато більше виражені

Рис.14. Зображення розподілів а) Y-компоненти швидкості потоку та б) тиску у площині YOZ

 

Розподіли для моделі з швидкістю накачки повітря – 50 Л/хв. подані на рис.15. та рис.16.

Рис.15. Зображення розподілів а) Х-компоненти швидкості та б) тиску у площині XOZ

Порівнюючи рис.15 з рис.7 ми бачимо, що у моделі з меншою відстанню між електродами проявляються набагато сильніші вихори (швидкість потоку у вихорах більша, приблизно, у 10 разів), а також більший стрибок тиску біля електродів.

Рис.16. Зображення розподілів а) Y-компоненти швидкості та б) тиску у площині YOZ

 

Розподіли для моделі з швидкістю подачі газу у плазмотрон – 70 Л/хв. подані на рис.17. та рис.18.

Рис.17. Зображення у ізолініях розподілів а) Х-компоненти швидкості та
б) відносного тиску у площині XOZ

У даній моделі також спостерігаються більші тиски та швидкості потоку у вихорах, порівняно з моделлю з міжелектродним проміжком 1мм.

Рис.18. Зображення розподілів а) Y-компоненти швидкості потоку та
б) відносного тиску у площині YOZ

Зміна тиску, що спостерігається у моделі з меншим проміжком між електродами, у 3 – 4 рази більша ніж у моделі з міжелектродним проміжком 1 мм.

 

Розподіли для моделі з швидкістю накачки повітря крізь плазмотрон – 100 Л/хв. зображені на рис.19. та рис.20.

Рис.19. Зображення розподілів а) Х-компоненти швидкості потоку та
б) відносного тиску у площині XOZ

Рис.20. Зображення розподілу а) Y-компоненти швидкості потоку та
б) відносного тиску у площині YOZ

На цьому зображенні видно, що рух потоку приймає дуже не стабільний характер, а зміни тиску, відносно атмосферного, можуть досягати 0,7 – 1 паскаля.

 

2.3. Дослідження моделі з максимальною відстанню між електродами та її порівняння з попередніми варіантами

Оскільки модель з мінімальним міжелектродним проміжком показала гірші газо-динамічні властивості (більший стрибок тиску, більші швидкості у вихорах), логічним шляхом буде дослідження моделі, з рівно протилежними змінами – дослідити модель з максимально можливим міжелектродним проміжком. Дана геометрія плазмотрону дозволяє зробити максимальну відстань між електродами – 2,4 мм. Зображення розподілів поперечної швидкості та відносного тиску для моделі з міжелектродною відстанню 2,4 мм та швидкістю потоку 30 Л/хв. подані на рис.21. та рис.22.

Рис.21. Зображення у ізолініях розподілів а) Х-компоненти швидкості потоку та б) тиску у площині XOZ

Рис.22. Зображення розподілів а) Y-компоненти швидкості потоку та
б) поперечного тиску у площині YOZ

Як видно з рис.21 та рис.22, зміна тиску біля електродів менше ніж у попередніх моделях. Поперечна швидкість потоку менша майже у 2 рази порівняно з тим-же параметром у моделі з міжелектродною відстанню 1 мм.

Зображення для моделі з швидкістю натікання газу 50 Л/хв. подані на рис.23 та рис.24.

Рис.23. Зображення розподілів а) Х-компоненти швидкості потоку
та б) тиску у площині XOZ

Рис.24. Зображення розподілів а) Y-компоненти швидкості потоку
та б) відносного тиску у площині YOZ

У даному випадку також спостерігається менший стрибок тиску та менші швидкості у вихорах порівняно з попередніми варіантами розташування електродів.

Зображення, отримані при розрахунку моделі з максимальною відстанню між електродами та швидкістю потоку 70 Л/хв. подані на рис.25 та рис.26.

Рис.25. Зображення розподілів Х-компоненти швидкості потоку
та б) відносного тиску у площині XOZ

Рис.26. Зображення у ізолініях розподілів Y-компоненти швидкості потоку
та б) відносного тиску у площині YOZ

Порівнюючи рис.25 та рис.26. з рис.17. та рис.18 можна помітити, що при більшій відстані між електродами відбувається менша зміна тиску

Зображення розподілів поперечної швидкості та тиску, отримані для моделі з швидкістю накачки 100 Л/хв., подані на рис.27 та рис.28.

Рис.27. Зображення у ізолініях розподілів а) Х-компоненти швидкості потоку
та б) тиску у площині XOZ

Рис.28. Зображення розподілів а) Y-компоненти швидкості потоку
та б) тиску у площині YOZ

Дана модель показує майже вдвічі більшу швидкість потоку у вихорах порівняно з варіантом з відстанню між електродами 0,5 мм. Також є суттєва різниця між тисками у приелекродній області.

 

2.4. Порівняння моделей з різною геометрією електродів

В ході виконання роботи, також були досліджені і порівняні моделі з різними формами електродів: з плоскою робочою поверхнею та з напівсферичною робочою поверхнею. Обидві моделі були пораховані для варіанту з відстанню між електродами 2.4 мм і для швидкості натікання 100 Л/хв.

Отримані зображення розподілів отримані для варіанту з скругленими електродами подані на рис.29 та рис.30.

Рис.29. Зображення у ізолініях розподілів а) Х-компоненти швидкості потоку та б) відносному тиску у площині XOZ

Рис.30. Зображення розподілів а) Y-компоненти швидкості потоку
та відносного тиску у площині YOZ

Порівнюючи рис.29 та рис.30 з рис.27 та рис.28 можна стверджувати, що завдяки заокругленій формі голівок електродів, набагато менше енергії потоку передається вихорам, вони активніше здуваються далі від сопла плазмотрона, тим самим зменшуючи вплив вже сформованих вихорів на потік поблизу виходу плазмотрона. Також зменшуються коливання тиску, відносно атмосферного і зменшується по ширині приелектродна область стрибка тиску.

 

3. Висновок

 

У даній роботі було модельовано та досліджено газо-динамічні потоки у плазмотроні з наступними змінними параметрами:

- Відстань між електродами: 0,5 мм, 1 мм та 2,4 мм

- Швидкість протікання газу крізь плазмотрон: 30 Л/хв., 50 Л/хв., 70 Л/хв. та 100 Л/хв.

- Форма електродів: зрізана робоча поверхня електродів, напвсферична робоча поверхня електродів.

Пророблена робота показала, що при збільшенні відстані між електродами значно зменшуються розміри вихорів потоку та коливання тиску, навколо атмосферного рівня, у приелектродній області. Порівняння двох моделей з мінімальною та з максимальною відстанями між електродами показало що при однакових швидкостях продування повітря крізь плазмотрон спостерігається значна різниця у процесах утворення вихорів.

Також значний позитивний вплив на потік дає використання електродів заокругленої форми: дуже сильно зменшуються коливання тиску на віддалі від виходу плазмотрона, зменшується приелектродна область стрибка тиску і зменшується максимальний тиск, який в ній досягається. Також при використанні електродів з напівсферичною робочою поверхнею було зафіксовано набагато менші вихори, які активніше видувалися з приелектродного простору тим самим зменшуючи їх вплив на потік у області горіння плазмового факелу.

 

4. Перелік використаної літератури:

1. Власов В. В. Элементарные процессы в плазме газового разряда / Власов В. В. // Харьковский Нацональный Университет имени В. Н. Каразина, 2008 – 175с.

2. Ольшевський С.В. Методи плазмово-хімічного знешкодження стійких органічних забруднювачів в водних розчинах / Ольшевський С.В. // Екологічні науки: науково-практичний журнал. – 2/2014 – вип.6. – С. 130 – 146.

3. Енциклопедія фізики та техніки // http://femto.com.ua/articles/part_2/2859.html [електронний ресурс]

4. БАЗЕЛЯН Э.М. Искровой разряд: Учеб. пособие: Для вузов./ Э.М. БАЗЕЛЯН, Ю.П. РАЙЗЕР // М.:Изд-во МФТИ, 1997.- 320с.

5. Васюкова, Г.Т. Екологія: підручник / Г. Т. Васюкова, О. І. Грошева. // К.: Кондор, 2009. - 524 с.

6. Система моделирования движения жидкости и газа FlowVision версия 2.5.4 Руководство пользователя / OOO "ТЕСИС", 1999-2008. С. 284

7. Система моделирования движения жидкости и газа FlowVision версия 2.5.4 Примеры решения типовых задач / OOO "ТЕСИС", 1999-2008. С. 202

8. Абрамович Г. Н. Прикладная газовая динамика. В 2 ч. Ч. 1 / Абрамович Г. Н. // Учебное руководство: Для втузов. – 5-е изд., перераб и доп. – М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1991. – 600 с.

9. Вайсман Я.И. и др. Плазмохимическая утилизация токсичных органических отходов. Экология и промышленность. - 1998. - № 10, с. 15-17.