Численное моделирование электрической дуги в турбулентном потоке тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

РГ6 о

2 1 "Дг

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК КЫРГЫЗСКОЙ РЕСПУБЛИКИ

ИНСТИТУТ ФИЗИКИ

На правах рукописи

КИСЕЛЕВ ИЛЬЯ ВИКТОРОВИЧ

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛ И РОВАН И Е ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ В ТУРБУЛЕНТНОМ ПОТОКЕ

01.04.14 — теплофизика и молекулярная физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Бишкек 1994

Работа выполнена в Институте физики Национальной академии наук Киргизской Республики

Научные руководители - доктор физико-математических наук,

профессор В.С.Знгельшт кавдидат физико-математических, наук, доцент В.С.Слободянюк Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук,

профессор В.И.Лвлервдщ ' кандидат физико-математических наук, доцент В.*.Семенов

Ведуцая организация - Республиканский Центр новых

информационных технологий

Защита диссертации состоится ¿¿Г~марта 1994 г. в час. на заседании специализированного совета Д 01.93.12 в Институте физики Национальной академии наук Кыргызской Республики, ^20071, г. Бишкек, проспект Чуй, 265-а

С диссертацией мокно ознакомиться в Центральной научной . библиотеке Национальной академии наук Кыргызской Республики.

Автореферат разделан ' у1994 г.

Ученый секретарь

специализированного совет

кандидат фиэшо-жвпелатческих наук )

Г.А.Десятков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.Значительные успехи в теоретическом описании электрических, дуг в турбулентных потоках были достигнуты работами Б.А.Урюкова и сотрудников, Ю.С.Левитана, А.И.йвлютина, О.А.Синкевича и В.И.Артемова, ' Н.А.Рубцова и Н.М.Огуречниковой и других авторов. Достаточная ясность в понимании возможностей и ограниченности описания турбулентных потоков электродуговой плазмы в рамках моделей турбулентности первого порядка и отсутствие таковой относительно моделей второго порядка объясняют актуальность расчетов электрических дуг в турбулентных потоках в рамках \-.-e модели. При этом важно моделирование дуг исследованных экспериментально. Более детальное, чем в простых моделях, описание дуги в спутном турбулентном течении позволяет выяснить многие существенные закономерности физической картины разрядов. Результаты расчетов позволяют делать выводы о характере флуктуация в дуге.

ШШЛШботу состоят в следующем.

Г. Изучение возможности применения k-f. модели турбулентности для расчетов характеристик дуги в канале плазматрона, продуваемом турбулентным потоком газа.

2. Модификация и адаптация математической модели основанной на ГОД уравнениях и k-е модели турбулентности для условий рассматриваемого течения электродуговой плазмы.

3. Исследование влияния граничных условий на параметры рассматриваемых разрядов.

4. Численный анализ роли различных физических процессов в дуге в .формировании тепловых, гидродинамических и электрических долей характеристик разряда в турбулентном потоке газа в (Канале азматрона.

(Ценная новизна. Проведен анализ профилей параметров я-е [Модели ,в .пристеночной области и возможности их использования 11|ри -задания граничных условий для расчета внутренней области ггенения. Для такого задания предложена процедура определения характеристик турбулентности вблизи стенки.

Результатами расчетов показано, что в условиях стабилизации разряда стенками к~е модель дает хорошее совпадение с данными эксперимента по энерговкдаду и потоку тепла в стенку, Численно исследованы характеристики потока и разряда и их.

зависимость от входных условий. Произведен замкнутый расчет разряда в плазматроне, включающий моделирование катода и прикатодных процессов, предложена оценка потока импульса, передаваемого катодом плазме дуги высокого давления.

Рассчитаны характеристики развитых разрядов с набором расходов газа и токов, для которых имеются данные измерений напряженности электрического поля. Получены критериальные соотношения подобия. Показана возможность описания таких разрядов в рамках предположения о гидродинамической природе флуктуаций. Численно исследованы механизмы могущие, предположительно, обеспечить повышенное значение напряженности поля. Выдвигается гипотеза значительной роли шероховатости стенки, в расчете реализована модель шероховатости.

Произведен расчет разряда в канале пористого плазматрона.

Ш§ктаческая_ценшсть работы. Полученные результаты позволяют рекомендовать использованную модель разряда и штока совместно с процедурой определения параметров у стенки для практических расчетов. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании илазматронов и оптимизации режимов их работы.

На_защитя_вшюсятся:

1. Математическая модель для расчета турбулентных течений в .канале плазматрона, основанная на МГД уравнениях, отличающаяся от известных моделей методикой определения параметров к е ¡модели турбулентности вблизи стенки.

2. Модификация ьышеуказанной модели, включающая расчет доикатодной области дуги в канале.

3. Данные расчетов и результаты численного анализа электроду гоьых процессов в турбулентном потоке газа на начальном, Переходном и развитом участках плазматрона, а также в канале р пористым ьдувом газа.

4. Вывод о возможности описания турбулентных явлений в рассмотрении* задачах в рамках предположений о гидродинами' Ческой характере флуктуация.

б. Вывод о возможности существенного влияния шероховатости ртенок канала на напряженность электрического поля дуги.

АЩ-ЗЗШШ.работы. Результаты работы представлялись на XI Конференции по генераторам низкотемпературной плазмы (Новоси-

бирск, 1989), на Конференциях профессорско-преподавательского состава Киргосуниверситета (Бишкек, 1992, 1993), на IX Международном симпозиуме по сильноточной электронике (Екатеринбург, 1992). Основные результаты опубликованы в работах [1-81.

Стрхктхра_и_дОъсм_работы1. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографии (73 наименования). Работа содержит 124 страницы машинописного текста, 67 рисуш ков, 3 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается общая характеристика работы, делается краткий обзор литературы по исследованию электрических дуг при наличии турбулентности, обосновывается актуальность темы, ее новизна и практическая ценность. Приводится перечень основных положений, выносимых на защиту.

В первой_главе описана процедура определения турбулентных параметров стенки и математическая модель дуги в турбулентном потоке газа.

Примененная в работе »-е модель турбулентности позволяет рассчитать параметры флуктуаций во внутренней области течения. Вблизи стенки необходимо определять распределение скорости диссипации турбулентной энергии е из дополнительных соотношений. Для этой цели предлагается считать справедливы™ в пристеночном слое формулы Прандтля и Пракдтля-Колмогорова

р121 <!и/с)г{ , 1= 0.41(а-г); Ц,= СуА'/Е. (I)

- турбулентные вязкость и энергия; су- постоянная; 1- длина 'тути смешения; р,и,д,г- плотность, скорость .радиус канала и текущий радиус. Решение уравнения переноса и совг местно с (I) и одномерным уравнением гидродинамики позволяет определить распределения в пристеночном слое и задать

краевое значение для внутренней задачи переноса е вблизи стенки - в различных течениях. Решение такой конечно-разностной задачи для развитого изотермического турбулентного течения в трубе позволило получить семейство профилей к(г хорошо согласующееся с экспериментом (данные для числа Рой-нольдса ве= ю") (рис.1). В отличие от распределений скорости, нормированные функции к(г) и е(г) не образуют универсальную по пе зависимость, и, следовательно, нет нозмоэтюсти

5

использовать универсальные кривые для задания к и е вблизи стенки при разных касательных напряжениях на ней ч^. Линии к и е совпадают при малых т}- (в-г)/ц; у„,|л- динамическая скорость и молекулярная вязкость. Однако сшивание здесь внутренней задачи переноса к и е с пристенными распределениями приводит к большим отличиям распределения скорости от универсального профиля (рис.1). Сшивание правомерно лишь на логарифмическом участке. Примечательно, что при неверных краевых значениях к и в для внутренней задачи получающиеся кривые и(т]) параллельны универсальной кривой, то есть, и в этом случае к и е система выходит на характерное для логарифмического слоя распределение Использование для определения е(г) у стенки эмпирических формул в- ррк3""2/! или е= с-((,1/зе^ )к/1г не дает верных распределений к и е. Первое из них дает хорошее согласие при (3=0.168, что подтверждает возможность использования пути смешения 1 в качестве оценки масштаба вихрей. Однако дальнейшие расчеты неизотермических течений показали невозможность использования этой формулы для задания е. Наибольшее отклонение получается при расчете уравнений переноса к и е от стенки с заданием нулевых значений на ней.

Проведенное исследование зависимости распределений турбулентных параметров от вариаций постоянных к-е модели с|л,сб1 ,сб2 ,ае П0КЭзал° определенность их необходимостью согласия с данными эксперимента, так как к(г) и е(гУ чувствительны к таким вариациям.

Полученое распределение е(г) изучалось с точки зрения удовлетворения стандартному уравнению переноса. Хороший баланс на логарифмическом участке подтверждает, с одной стороны, правильность процедуры получения' е, ас другой -применимость здесь уравнения и хороший выбор его коэффициентов. В ламинарной й переходном слоях уравнение не в"полняет-ся, что опять-таки говорит о недопустимости применения его здесь. За логарифмическим слоем уравнение е снова не удовлетворяется, но это говорит уже о лучшем соответствии здесь ь-е системы, чем моделей первого порядка.

В логарифмическом слое возможно аналитическое решение к-е уравнений совместно с (I), дающее ь/у^/с^'п е/(т;* /ц)=

IV (о. 41Т)), при этом на коэфициенты уравнения е накладывается связь, хорошо удовлетворяемая их стандартным набором.

В математической модели использована цилиндрическая система координат. Гидродинамические уравнения в переменных (|),ш брались в виде:

(Э(|>'3г = pur; âijKcte - -pvr; W = l/r (dv/dz - du/dr) (2)

$ * b£G£ §f) - (3)

Jffl - - ^("'ДчН - hJPc^.H =

- - Л^ЧЙ " <*>

z-аксиальная переменная; v- радиальная скорость; магнитная постоянная; х- функция тока, определяемая через его компоненты: даудг = дахсЬ = -rjr. Учитывалась зависи-

мость коэффициентов от температуры и давления. Уравнения Максвелла и переноса тепла представлены в виде

¿[è f) ♦ ш i) - <Б>

sm - ¿m - -

«M®'* ЙЛ- <6>

X.a,cr~ молекулярная теплопроводность, проводимость, теплоемкость; Prt- турбулентное число Прандтля, г- объемная плотность излучения.

Мод?ль предполагает дозвуковой характер течения, аксиальн.-ю симметрию, оптическую тонкость среда, наличие локального термодинамического равновесия, малость вклада работы сил давления и вязкой диссипации в баланс энергии.

Уравнения переноса к и е взяты в виде

¿m - ¿m - № -ш - ¿m - ^ ■

G « [<ЗилЭг + flvôzj2 + )a + (v/r)a]. Ok, 0£,

с .cei- константы, соответственно 1.0, 1.3, 1.44, 1.92.

На оси использованы условия симметрии, на выходе канала задавалось равенство нули первых производных переменных, кроме расчета пористого канала для которого требовалось равенство нулю вторых производных. Во входном сечении канала задавались распределения переменных, определенные с привлечением дополнительных соотношений (Зленбааса-Хеллера, развитый поток в коаксиальной, с учетом катода, трубе и тому подобных). 11а стенке заданы условия (фо,уо,ьо,^-постоянные на стенке):

Ф= pvoRz ; О; h= hQ; âi= I*-2E; k= *o.

В пристеночном слое использовалась описанная процедура определения е, граница слоя выбиралась заведомо на логарифмическом участке течения.

Система уравнений консервативно дискретизировалась и решалась итеративной процедурой Зейделя. Сходимость счета определялась по относительному изменению величин не более 10"® за итерацию и контролировалась проверкой выполнения балансов и стабилизацией изолиний переменных.

Во второй__главе описана серия расчетов дуги в плазма-

троне (рис.2) с диаметром канала а=бмм. длиной 120мм. Аргон подается без закрутки со сторош катода. Установка выбрана в качестве объекта моделирования по следующим соображениям. Для нее известны достоверные данные измерений аксиальных распределений напряженности электрического поля е и теплового Потока в стенку q. Имеются расчеты дуги в приближении пограничного слоя и модоли турбулентности первого порядка. Дуга хорошо подхода для моделирования в рамках данной модели: стабилизация стенками канала малого диаметра при большом токе обеспечивают стационарность, аксиальную симметрию и отсут-ствве крупномасштабных турбулентных образований.

Основной целью расчета била апробация модели, однако серия расчетов с вариациями входных условий и деталей модели Позволила сделать некоторые заключения о характере процессов ц установка.

Расчет по предлагаемой модели дал лучшее согласие с экс-Шрлаентсм (А.В.Пустогаров). чеы известные расчеты в приближении погранелоя н модели турбулентности первого порядка.

Детальная картина турбулизованных процессов недоступна таким моделям, хотя получаемые интегральные характеристики неплохо согласуются с экспериментом. Отличия в пользу ь-е модели наиболее заметны на начальном и среднем участках канала плазматрона.

К сожалению, эксперимент не дает входных распределений тока, тепла, скорости и турбулентных параметров. Проведенные расчеты показали существенную зависимость полей переменных от вариаций всех типов входных параметров. При этом экспериментальные значения оказываются заключенными в диапазоне изменений расчетных распределений, то есть, правильное заданно входных данных позволяет добиться хорошего совпадения с данными измерений по параметрам е и q (рис.3). На рисунке отражена зависимость распределений от входной скорости при фиксированном расходе газа. Строго аксиальный вдув (кривая II) приводит к несколько завышенному энерговкладу и загашенному ч. Противоположные тенденции дает широкое пятно привязки дуги к катоду и значительный поток импульса катодной струи (12). "Оптимальным" оказывается узкое пятно с большим потоком импульса (вариант 13).

Рассмотрены балансы компонент уравнений переноса (рис.4).Характерна большая роль конвективных составляющих в начале канала, уменьшающаяся по течению. Так для энергобаланса вблизи сочетая ==о конвективные члены превосходят Баланс источников, стоков и диффузионного переноса на стенку достигается для уравнений турбулентности значительно быстрее, чем для переноса тепла.

Всю; у, кроме непосредственной окрестности стенки а входного сечения, генерация турбулентности о уравновешивается диссипацией е. Впрочем, такая картина баланса наблюдается лишь при задании на входе развитой турбулентности. При лами-наризированном входном штоке (рис.Б, вариант 17) область малой интенсивности флуктуация может продолжаться до средних, сечений, дало? показывая резкое нарастание - разбаланс генерации-диссипации. Нарастание к не носит в этом случае характера нарастания слоя от стенки типа погранслоя. Тем не менее, изолинии турбулентной вязкости имеют именно такой взд, будучи непараллельны линиям к. Поле является результате«

(по формуле Прандтля-Колмогороьа) полей к и е, и описание такого его поведения невозможно в рамках более простых моделей турбулентности. В потоке с дугой максимум к отстоит от стенки канала значительно дальше, чем в изотермическом, из-за больших градиентов скоростей во внутренней области.

В следующем разделе главы описан вариант замкнутого моделирования процессов в данном (рис.2) плазматроне, включающий расчет прикатодной области. Предшествовавший анализ показал важность задания входных характеристик. Для определения электрических и тепловых характеристик в пятне привязки и его размеров использована простая одномерная модель прикатодных процессов В.Нейманна, включающая формулы Ричардсона-Шоттки, Маккоуна, Бэйда-йоса и.упрощенное решение тепловой задачи в катоде.Для определения скорости истечения плазмы в катодной струе предлагается оценка давления ионного потока на катод -

р.= _11(2т.и1,/е)1''2= р(Т( )ч2 - в качестве меры потока импульса струи, в соответствии с третьим законом Ньютона. ионные ток и масса; ис- при-

катодное падение потенциала. Величина рх оказывается порядка О,Б атмосферы, а соответствующая скорость струи порядка 2000 м/с при температуре 2600 К, что меньше скорости звука.

При высокой чувствительности результатов к температуре пятна и скорости истечения плазмы из него результаты расчета с использованием простой прикатодной модели по крайней мере не хуке согласуются с экспериментом (рис.3, кривая II),- чем лучшие из вариантов с подбором эмпирических входных распределений в пятне. Изучение полей характеристик этого расчета показывает, что высокотемпературная струя проникает приблизительно на пятую часть длины канала, приводя к особенностям поведения распределений ^е и ч. В начальных сечениях подавляющая роль в энергобалансе принадлежит конвективному переносу струи и охлаждению ее диффузией. Граница струи оказывается областью мощной генерации турбулентности благодаря большим градиентам скорости. Вблизи сечения г=2 наблюдается резкий всплеск турбулентности, вызванный действием струи, повышенное влияние которой наблюдается и далее в канале, определяя заметное повышение ¿е и я.

В третьей_главе приведены результаты моделирования

турбулентных дуг, обнаруживающих повышенное значение е, а именно, установившихся развитых дуг в длинных трубах при давлении около II ат (эксперименты Фривда и Дамского) и дуги в канале пористого плазматрона.

Дуги в длинных каналах привлекательны отсутствием влияния входных условий. Ускорение расчета за счет отсутствия аксиальной зависимости позволяет расчитывать набор дуг с вариацией определяющих параметров (расход, ток) и составлять критериальные соотношения.

Для плазмообразующего газа аргона из ряда работ выбраны коэффициенты переноса при р - и ат. Для электропроводности с использованием результатов Копанского, Винна, Девото скнтези-^ ,-вана зависимость о(т), дающая наилучшее совпадение результатов расчетов ламинарных дуг с измерениями Фринда и Дамского. Хорошее описание дуг с малыш Кэ (ламинарный шток) позволяет отвергнуть предположение о необходимости учета в них флуктуаций негидродинамической природы. Выяснена высокая роль излучения в охлаждении дуг такого давления. Для многих вариантов унос энергии излучением в несколько раз превосходит кондуктивный отток тепла. Профили температуры и в ламинарных дугах имееют из-за этого наполнений вид, так как излучение не позволяет быть выраженному максимуму на оси. Столб дуги плотно заполняет канал, что приводит к подобию характеристик по критерию 1/с!2в отличие от харктерного для преобладания диффузионного переноса х^ы. Благодаря насыщению профилей т(г) из-за излучения локальная проводимость каналов одинакова, а интегральная пропорциональна

Для дуг в длинных трубах с турбулентным типом течения применение модели гл.1 без изменений не дает достаточно высоких значений е. Внесение известных изменений в вид коэффициентов с^ и сС1 не привели к заметному повышению е. Предположение о перемещениях оси столба дуги в канале с выделением тепла вблизи стенок моделировалось осреднением источников тепла по сечению с интервалом осреднения ¿г <р, что так от не обеспечивает необходимого уровня повышения е.

Выдвинуто предположение о том, что подобно тому, как наличие шероховатости приводит к повышению гидродинамического сопротивления труб турбулентным потокам, шероховатость стенки

канала может приводить к повышению напряжения горения дуги. Для учета шероховатости реализована указанная Хама возможность описания турбулентости вблизи негладкой стенки. Основная идея заключается в увеличении пути смешения Прандтля на величину пути смешения соответствующего характеристической высоте шероховатостей. Учет шероховатости привел к резкому повышению е (рис.6). Величина шероховатости выбрана в 1>700 к. На рисунке отметки I относят линию к значению параметра д/с1 1,1 г^(мм*с), отметки 2- 1,5 г/(мм*с), 3- 2,0 г/(мм«с) (д- расход). Линии б, отвечающие диаметру канала мм, с увеличением параметра д^ отстают от экспериментальных точек. Шероховатости могут носить и динамический характер и быть значительнее при больших расходах и токах, когда значительнее динамические нагрузки. Линия Зв показывает завышенность величины шероховатости в 1^7оок для канала а=6 мм. Шероховатость при умеренных токах приводит к поджатию, контрагирова-шш столба дуги, а при больших токах и высотах шероховатости - к общему снижению профиля (рис.7). Таким образом, и в ситуации дуги в турбулентном потоке в длинной трубе оказывается возможным описание повышенного уровня е в рамках гидродинамического описания турбулентности. По результатам расчетов дуг в длинных трубах определены числа Пекле Ре, Нуссельта ми, Рейнольдса яе, Стентона эъ, Прандтля рг. Совокупность точек ни(Ра) ложится на единую кривую, что говорит о гидродинамическом характере повышающих тепловыделение процессов -наличие факторов другой природы приводит к расслоению этой зависимости. Хорошо подтверждается известная, зависимость ¿>ь=кке°'2рг°,37 с коэффициентом к=о,оее.

Последний раздел работы посвящен расчету дуги в канале плазматрона с подачей газа через пористую стенку. До настоящего времени отсутствует удовлетворительная модель такого течения при больших Яе. Применение предложенной методики дает результаты по крайней мере не хуке других моделей.

Имеющиеся экспериментальные данные (А.В.Пустогаров) относятся к дуге в закрученном потоке. Хотя доля подаваемого через пористую стенку газа вчетверо превосходит долю закрученного потока из катодного узла, влияние последнего прослеживается вплоть до выхода канала. Проведенный расчет не учи-

тывал закрутки. Кроме того, как показывают фотографии дуга, нельзя считать столб стационарный и осесимметричным. Сравнение с экспериментом возможно лишь по порядку величины. Главная особенность такой дуги - высокое напряжение горения. Расчет дает напряженность £ по порядку величины согласующуюся . измеренной (рис.8), что говорит о возможности получения и таких больших напрякенностей горения в рамках ограничений данной модели. Расчет дает коптрагированную форму температурного профиля (рис.8), склонную к проявлению неустойчивости. Характерные особенности фор(лы профиля ("плечо" вблизи г=о.зй, б-образный вид у стенки) аналогичны выявленным в эксперименте.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы ¡.о 5о ты:

1. Построена математическая модель для расчета турбулентных течений электродуговой плазмы в канале плазматрона. Модель включает в себя систему МГЛ уравнений в переменных

стационарную к-е модель турбулентности. Впервые разработана процедуры расчета пристенных слоев турбулентных течений и предусмотрена возможность исследования течений в условиях переменного давления в канале. Модель реализована в виде конечно-разностной схемы расчета. Апробация модели показала хорошее согласие с известными данными измерений .

2. Выполнен численный анализ характеристик плазматрона в зависимости от входных условий, условий на стенке канала, от тока и размеров канала. Анализ показал, в частности, существенное влияние выбора входных условий на характеристики дуги на начальном и переходном участках плазматрона.

3.' Впервые разработана и опробована процедура замкнутого расчета с заданием входных условий на основе использования достаточно простых моделей приэлектродшах процессов. Предложено соотношение для определения величины импульса струи плазмы из пятна привязки. Сопоставление с данными эксперимента показывает эффективность замкнутого моделирования дуги в

канале плазматрона.

4. Впервые установлено, что на участке развитого течения плазматрона. в условиях змюлиения значительной части канала дуговой плазмой, шероховатость сгенок может суетствешш увеличивать турбулентный теплообмен в дуге.

Б. Впервые произведен расчет дуги в турбулентном потоке пористого плазматрона. Получено согласие с экспериментом по порядку величины напряженности электрического плоя.

Результаты показывают, что возможности гидродинамической теории турбулентности для моделирования физических процессов в электродуговых плазматронах далеко не исчерпаны.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Киселев И.В., Слободянюк B.C. Расчет изотермического течения в канале плазматрова с пористым вдовом газа .// Генераторы низкотемпературной плазмы. 4.1: Тез. докл./П-я Всесоюз. конф.-Новосибирск.-1989.- С.1Б8-159.

2. Киселев И.В. К вопросу устойчивости расчета пристенных течений // Сиб. тех. журнал.-1992.-вып.6.-С.36-41.

3. Киселев И.В., Слободянюк B.C. Расчет электрической дуги в турбулентном потоке газа на начальном участке плазматрона //Научно-теоретическая конференция физического факультета Кыргосуниверситета по итогам НИР за 1992г.: Тез. докл.-Бишкек,I993.-С.48-49.

4. Киселев И.В., Слободянюк B.C. Моделирование прикатодной области яри расчете электрической дуги в канале плазматрона // Научно-теоретическая конференция физического факультета Кыргосуниверситета по итогам НИР за 1992г.: Тез. докл.- Бишкек,1993.-С.46-47.

Б. Киселев И.В., Слободянюк B.C. Апробация оценок катодных потоков в турбулентной дуге высокого давления // i>. Всесоюзный симпозиум по сильноточной электронике: Тез. докл.-Екатеринбург,1992.-С.62-63. в. Киселев И.В., Слободянюк B.C., Энгельшт B.C. Численное моделирование турбулентных явлений в электродуговой плазме.- Пишкек:Илим,1993.-72с. 7. Киселев И.В., Слободянюк B.C. Расчет развитых дуг в турбулентное потоке газ-j // Научная конференция профессорско-преподавательского состава Кыргосуниверситета. Ч.Е: Тез. докл.- Бишкек Л. 993. -С. 42- 43. В. Бобров А.А.,Киселев II.B. и др. Мощный неравновесный вихревой СВЧ-разряд большого объема на ьохдухе атмосферного давлений /Л1льзмохимия-91.-М. :ИНХС, 1991 .-С.88-118.

Рис.1. Профили турбулентной анергии (1-кв=з.3-105; 2-Ке=Ю ; 3-Кв=1и ; 4-Ке=10 ; 5-1?в=107) И скорости в зависимости от места сшивки.

/////У//// I •*■ I <1

1£,<}ш,105&Т/М

■е

13—ззр*

Рис.2. Схема прямоточного плазматрона.

Рж.З. Аксиальные распределения энерговклада я потока тепла в стенку. +++, ххэс - эксперимент.

Г.Ь

Рис.4. Балансы энергии и турбулентной энергии в сечении .

ю г/а

Рис.5. Изолинии к. -

вар.13,----вар.17.

Е,Ь/м чооо.

Л ООО

а,<о*к

Та

100

¿60

Рис.6, е-1 характеристики дуг в турбулентных потоках. ++ -эксперимент; расчет: а-гладкая стенка; б,в- шероховатая.

qstр

Рис.7. Профили т(г) дуг в турбулентных потоках. g=I4.2 Т?с: 1,2- 1=88А; 3,4,5-i=320A ; 1,4- уо=5мкм; 2,5-уо=0: й- уо-20лсм.

т. /о5 К

Рйс.8. Пористый плазматрон. Аксиальное распределение

напряженности в{х). ххх - эксперимент [2],-- - расчет.

Профили температуры, сечения в порядке номеров 0,2; 1,4; 2.9; 3,9; 4,9. ,

Турбуленттик агымдагы электрдик жааны сандык модедцее.

АННОТАЦИЯ

Каналдаги плазма тузуучу газдын агымынын турбуленттик режим учурунда электр жаасындагы процесстер эсептее методу менен изилдешлет. Басымдын чукул езгеруу шарттарында турбуленттуулуктун fe-e модели жана магниттик гидродинамиканын тецдемелеришш толук системасы ф-u езгермелерунде колдонулган. Каналдын бетинин жанында е-тевдемесинин адекваттуу эместигинен моделдердин тутам,цаштыруу процеоои сунуш килынган. Киска туз агимдуу плазматрон учун каналдын бэтине берилген жылуулук агымынын жана электр талаасынын чыцалышнын эсептик жана эксперименттик маанилери бири бирине какшы дал келет. Бардык типтеги - жылуулук, дннамикалнк жана турбуленттик параметрлер учун негиз болгон каналдын кире беришндеги шарттардан мунездечулэрдун кез карандылыгы изилденди. Кире-бериштеги шарттар катоддун жанындагы процеостердин Нейман модели боюнча алынган жана электр жаасынын моделин эсептееге колдонулган. Катоддук нуктун импульсун баалоо сунуш килынган. Узун тутуктердегу асимтотикалык электр жаалары изилденди. Е-нин жогорку маанилерине ээ болуусуна каналдын бетинин кылмакай эместигинин чоц ролу керсетулду. Плазмэтрондун капиляр беттуу каналында электр жаасы эсептелинген. Табнлган Е-нин маанилери эксперименталднк маанилер менен тэртиптери боюнча дал келИшет.

The numerical modeling of an electric arc in turbulent flow.

ABSTRACT

The processes in an electric arc in channel with turbulent flow is investigated by numerical methods. The k-£ model of turbulence and full system of axisymmetric magnetohydrody-namic equations are .applied under condition of variable pressure. The first order model of turbulence was used near the channel wall. The procedure of the models sewing is described, that' is predetermined by the fact of E-equation disability in the near-wall layer. A good agreement of experimental and calculated data .for heat flow and electric field strength E is achieved for short straight-flow plasmatrone. The dependence of the arc characteristics from channel entry conditions is investigated, it is essential for any type of parameters - heat, dynamic, turbulent. The calculation with determination of the entry conditions from the Newmann near-cathod processes is built. An evaluation of the cathod jet impulse is suggested. The developed arcs in long tubes is investigated. The possibly high role of wall roughness on high E achievement is showed. The calculation of an arc in the channel with porouse wall is built, the got value of E agree with experimental one in order of value.