Исследование процессов конденсации и кластеризации в газодинамическом затворе генератора пучковой плазмы

Джанибекова, Сапият Хисаевна

Исследование процессов конденсации и кластеризации в газодинамическом затворе генератора пучковой плазмы тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

Джанибекова, Сапият Хисаевна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2012 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Исследование процессов конденсации и кластеризации в газодинамическом затворе генератора пучковой плазмы»

Автореферат диссертации на тему "Исследование процессов конденсации и кластеризации в газодинамическом затворе генератора пучковой плазмы"

005010642

Джанибекова Саиият Хисаевна

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ КОНДЕНСАЦИИ И КЛАСТЕРИЗАЦИИ В ГАЗОДИНАМИЧЕСКОМ ЗАТВОРЕ ГЕНЕРАТОРА ПУЧКОВОЙ ПЛАЗМЫ

Специальность:

01.02.05 "Механика жидкости, газа и плазмы"

9 ОЕВ ¿012

-Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва-2012

005010642

Джанибекова Сапият Хисаевна

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ КОНДЕНСАЦИИ И КЛАСТЕРИЗАЦИИ В ГАЗОДИНАМИЧЕСКОМ ЗАТВОРЕ ГЕНЕРАТОРА ПУЧКОВОЙ ПЛАЗМЫ

Специальность:

01.02.05 "Механика жидкости, газа и плазмы"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2012

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО "Московский физико-технический институт (государственный университет)"

Научный руководитель

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Ризаханов Ражудин Насрединович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор,

Черкасов Сергей Гелиевич

кандидат физико-математических наук Васильев Михаил Олегович

Ведущая организация:

ОАО “Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского” (г. Москва)

Защита состоится «24» февраля 2012 г. в 10 часов в ауд._________ на заседании

диссертационного совета Д212.125.14 при ФГБОУ ВПО «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)» по адресу: 125993, Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д.4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)».

Автореферат разослан "^3 " Л Н-Ьз; ^ 2012 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических наук, доцент

Гидаспов В.Ю.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Электронно-пучковая плазма, генерируемая потоком электронов, выведенным в плотную газовую среду (в том числе в атмосферу), имеет широкие технологические возможности применения. Вневакуумная реализация таких процессов как поверхностное упрочнение, сварка, резка металлов существенно повышает их производительность в сравнении с вакуумным исполнением. В последние годы активизируются работы по использованию концентрированных потоков электронов в данных технологиях. Вместе с тем открываются новые возможности применения пучковой плазмы для решения таких задач как неравновесная плазмохимия, очистка дымовых газов от токсичных примесей, агрофизические эксперименты и т.д., что привело к созданию установок для реализации упомянутых выше технологий.

Существующие в настоящее время генераторы электронно-пучковой плазмы (ГЭПП), ввиду их больших масс и габаритов, представляют собой стационарные установки. Для расширения применимости ГЭПП необходимо, во-первых, понизить энергопотребление, во-вторых, улучшить массогабаритные характеристики. Выполнение этих двух условий приведет к возможности создания мобильных ГЭПП, которые, в том числе, могут функционировать, будучи расположенными на движущемся транспортном

средстве. ■

Основными элементами ГЭПП являются: источник высокого напряжения,

ускоритель электронов (или электронная пушка) и выводное устройство (ВУ), транспортирующее электронный пучок в плотную газовую среду из вакуумной области. Выводное устройство генератора плазмы рассматривается как ключевой элемент. Во многих разработанных установках ВУ представляет собой систему дифференциальной откачки (СДО), состоящую из ряда шлюзовых камер с автономной вакуумной откачкой. В литературе определены методы, позволяющие улучшить их массовые и габаритные характеристики. Одним из перспективных способов является метод замещающего газа с применением

газодинамического затвора в качестве ВУ. Суть метода замещающего газа состоит в замене натекающего в ГЭПП газа из рабочего объема (как правило, воздуха) на другой легкооткачиваемый. Например, при отсекании воздуха водородом последний попадает в СДО. Производительность его откачки диффузии-оиными насосами в несколько раз выше, что позволяет снизить массогабаритные характеристики ВУ, повысить его надежность, маневренность, технологические возможности.

Расширение возможностей ГЭПП за счет усовершенствования работы ВУ, в частности, путем применения метода замещающего газа, является актуальной задачей.

Целью работы является: изучение основных закономерностей работы газодинамического затвора выводного устройства генератора пучковой плазмы при использовании метода замещающего газа, определение функциональных и ресурсных возможностей ВУ.

Основные решаемые задачи:

1) На основе анализа теплофизических характеристик различных веществ выбрать вещество для создания замещающего газа, позволяющего с помощью газодинамического затвора обеспечить перепад давлений, необходимый для работы выводного устройства.

2) Разработать и изготовить экспериментальный макет газодинамического затвора для конкретного замещающего газа и исследовать эффективность работы такой системы в зависимости от различных параметров (термодинамических, геометрических и т.д.).

3) Провести экспериментальные исследования газодинамического затвора с целью определения основных закономерностей его работы, функциональных и ресурсных возможностей, а также выработки рекомендаций по его применению.

4) Разработать математическую модель, описывающую процессы, протекающие при работе газодинамического затвора, включая истечение пара из сверхзвукового сопла в область пониженного давления и его конденсацию в

объеме.

5) Определить на основе расчетов, выполненных по указанной программе, возможное влияние конденсации на работу генератора пучковой плазмы. В случае существенного влияния сформулировать ограничения на рабочие параметры откачной системы.

Методы исследований: в работе применялись экспериментальные методы изучения работы газодинамического затвора, вопросы кластерообразования исследовались расчетными методами. Для исследований процессов истечения газов и эффектов конденсации и кластеризации, определения характеристик затвора использовалась установка «Иней», в которой реализовывались различные условия истечения замещающего газа в вакуумную камеру. В процессе проведения экспериментальных исследований изучалось влияние различных параметров установки на эффективность работы газодинамического затвора. Для описания процессов, протекающих в струе при истечении замещающего газа в вакуум, был разработан программный модуль.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1) Впервые экспериментально показана возможность создания многоразового выводного устройства генератора пучковой плазмы, способного работать без вакуумных насосов.

2) Впервые изучены ресурсные характеристики газодинамического затвора, обеспечивающего перепад давлений в 4-5 порядков (10'2-М04Па) без применения внешних откачных средств.

3) Расчетными исследованиями показано, что массовая доля конденсированной фазы (кластеров) в струе замещающего газа во всем диапазоне исследуемых параметров газодинамического затвора не превышает 1 % и достигает минимального значения при использовании звукового сопла. Это позволяет утверждать, что процессы кластеризации не влияют на работоспособность источника электронов.

Практическая ценность работы заключается, прежде всего, в том, что разработанная система вакуумной откачки на основе газодинамического

затвора позволяет существенно улучшить массогабаритные характеристики ГЭПП. Создание малогабаритных ГЭПП открывает новые возможности перед машиностроением и металлообрабатывающей отраслью, например, позволяет использовать ГЭПП в различных технологических процессах (резка, сварка металла, упрочнение поверхности) на производствах, которые расположены не только в индустриальных центрах, но и в удаленных населенных пунктах. Размещение подобных ГЭПП на транспортных средствах позволит сделать их мобильными и, следовательно, дополнительно расширить диапазон их применения. Кроме того, разработанная откачная система на базе газодинамического затвора помогает снизить энергопотребление по сравнению с существующими системами дифференциальной откачки, и, таким образом, может быть использована в вакуумнотехнических устройствах, работающих в аналогичных условиях.

В работе создан расчетный алгоритм, который позволяет рассчитывать истечение газа в вакуум с учетом процессов образования и роста кластеров. Данный алгоритм может использоваться не только для фундаментальных исследований газодинамических и теплофизических характеристик пара, истекающего в вакуум, но и для оптимизации различных технологических процессов, для которых параметры конденсации играют существенную роль (к ним относятся, например, синтез нанопорошков, нанесение покрытий и т.д.).

Расчетный алгоритм был разработан в рамках . выполнения Государственного контракта № 300-И/009-08/7949-П от 06.11.2008 г. с ФГУП «ЦНИИ ХМ». Результаты расчетов, проведенных по данному алгоритму, вошли в научно-технический отчет о выполнении работ по Государственному контракту № П2481 от 19.11.2009 г. с Федеральным агентством по образованию в рамках Федеральной целевой Программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы. Было получено авторское свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010611084 от 5.02.2010 г.

Положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Методика выбора вещества для формирования замещающего газа и схема его применения.

2. Экспериментальная установка для изучения газодинамического затвора с целью определения основных закономерностей его работы, функциональных и ресурсных возможностей, а также выработки рекомендации по применению.

3. Результаты экспериментальных исследований по использованию водяных паров в качестве замещающего газа в газодинамическом затворе.

4. Расчетный алгоритм по определению конденсации в струе, истекающей в область с пониженным давлением через различные сопла.

5. Результаты расчетных исследований истечения водяных паров в область пониженного давления с учетом эффектов объемной конденсации (кластеризации) в соплах газодинамического затвора.

Достоверность полученных экспериментальных результатов

обеспечивается тщательным планированием эксперимента и качественным экспериментальным оборудованием, аттестованным Ростестом. Достоверность разработанной в диссертации расчетной методики подтверждена сравнением ее результатов с экспериментальными данными, полученными в работах других авторов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях: •

- XLVIII научная конференция МФТИ (г. Москва, 2005 г.);

- XLIX научной конференции МФТИ (г. Москва, 2006 г.);

- 50-ая научная конференция МФТИ «Современные проблемы

фундаментальных и прикладных наук» (г. Москва, 2007 г.).

- I Международная конференция «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества» (г. Суздаль, 2008 г.)

- Научно-техническая конференция - конкурс молодых ученых,

посвященная 75-летию ФГУП «Центр Келдыша» (г. Москва, 2008 г.)

- Первая Всероссийская конференция с элементами научной школы для молодежи «Функциональные наноматериалы для космической техники" -НАНОКОСМОС (г. Москва, 2009 г.)

- Международная научно-техническая конференция «Нанотехнологии функциональных материалов» (г. Санкт-Петербург, 2010 г.)

- III Международная конференция с элементами научной школы для молодежи «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества» (г. Суздаль, 2010 г.)

Публикации.

Работа содержит результаты, полученные в период с 2004 г. по 2011 г. и изложенные в 7 печатных и 6 рукописных работах, из которых 2 - в реферируемых журналах; получено авторское свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Объем работы.

Диссертация состоит из списка условных обозначений, введения, глав, выводов, списка использованных источников из 63 наименований, изложенных на 140 страницах, 59 иллюстраций, 12 таблиц.

Основное содержание работы Во введении обосновывается актуальность рассматриваемой задачи, определены цели и задачи работы, научная новизна, методы исследований, а также показана практическая значимость получаемых результатов.

Первая глава посвящена обзору литературы по существующим методам вывода электронного пучка в атмосферу, а также по методам расчета выводных устройств.

Проблема вывода электронов в атмосферу состоит в том, что пучок может формироваться и ускоряться до высоких энергий только в области достаточно глубокого вакуума (10'2-10'4 Па). При больших давлениях существенно ухудшается качество пучка вследствие рассеяния электронов на

частицах остаточного газа, возрастает вероятность пробоя между электродами ускорительной системы.

Рис. 1. Схема генератора электронно-пучковой плазмы: 1 — электронная пушка; 2 - выводное устройство; 3 — электронный пучок; 4 — источник высоковольтного питания; 5 — система; 6 - система питания соленоидов;

7-система охлаждения; 8 - система управления; 9-рабочая область.

Принципиальная схема установки генерации пучковой плазмы, основанной на транспортировке концентрированного электронного пучка в плотную газовую среду, представлена на рис. 1. Она состоит из электронной пушки 1, генерирующей пучок 3, выводного устройства 2, источника высоковольтного напряжения 4, систем вакуумной откачки 5, силового питания 6, охлаждения 7, а также управления 8. Электронный пучок формируется в условиях глубокого вакуума (~10'3Па). Выводное устройство (ВУ) предназначено для обеспечения перепада давлений между рабочим объемом 9, где происходят основные технологические процессы, и полостью электронной пушки 1. В зависимости от рода прикладных задач давление в рабочей области составляет 102-105Па. Источник высоковольтного напряжения 4 обеспечивает ускоряющую разность потенциалов в электронной пушке и определяет энергию (и скорость) формируемого пучка. Система откачки 5 состоит из ряда вакуумных насосов, удаляющих газ из камер выводного устройства. Система питания соленоидов 6 предназначена для

создания магнитного поля, сопровождающего пучок в ВУ. Постоянный электрический ток, проходя через ряд соленоидов (не показаны на рис. 1), генерирует фокусирующие поля и ограничивает поперечные размеры пучка. При такой транспортировке пучок способен проходить через малые отверстия, что минимизирует натекание газа из окружающей среды (т.е. со стороны 9 в сторону 1). Элементы ВУ испытывают непрерывные тепловые потоки со стороны как электронного пучка, так и натекающего раскаленного газа. Для устранения их влияния энергонапряженные узлы ВУ охлаждаются системой 7.

Применение газодинамических окон (шлюзовых камер) позволяет реализовать связь вакуумной камеры непосредственно с атмосферой и обеспечивает практически неограниченный ресурс. Однако массогабаритные характеристики ГЭПП можно существенно улучшить, заменив газодинамическим затвором несколько шлюзов с насосами.

Вторая глава посвящена экспериментальным исследованиям характеристик газодинамического затвора, работающего на основе замещающего газа. Схема работы газодинамического затвора представлена на рис. 2. Между вакуумной камерой 1 и областью повышенного давления 4 располагается промежуточная область 3, в которую подается замещающий газ из ресивера 2. Давление замещающего газа в газодинамическом затворе 3 выше, чем в рабочей камере 4. Основной принцип работы газодинамического затвора состоит в использовании специально выбранного замещающего газа, который предотвращает попадания газа из рабочей камеры 4 в вакуумную камеру. В вакуумной камере 1 устанавливаются охлаждаемые жидким азотом криопанели, на которых происходит конденсация замещающего газа, тем самым осуществляется его откачка.

1 - вакуумная камера; 2 - ресивер; 3 - газодинамический затвор;

4 — область повышенного давления —рабочая камера Замещающий газ должен удовлетворять ряду требований (критериев), которые в свою очередь зависят от условий, реализуемых в газодинамических затворах. Рассмотрим данные критерии в случае его вымораживания на криопанелях, охлаждаемых жидким азотом, температура кипения которого равна 77 К. Таким образом, первым требованием к замещающему газу является то, что при давлении 10'3 Па (давление в вакуумной камере) температура конденсации замещающего газа должна быть не ниже 100 К. Так как в ресивере газодинамического затвора замещающий газ должен находиться в состоянии насыщения, то температура насыщенных паров при давлении около 10000 Па (давление в ресивере) должна быть не выше 600 К (второе требование к замещающему газу), т.к. более высокая температура потребует мощной системы нагрева, что в свою очередь увеличит размеры выводного устройства. В-третьих, химическая формула должна быть не сложной, так как при прохождении электронного пучка сложные соединения могут распадаться на более простые компоненты. В число этих компонентов могут входить трудноконденсируемые вещества, что потребует иных методов откачки (например, криоадсобрции или электрофизических). Это также означает увеличение массогабаритов ВУ.

В качестве возможных вариантов для рассмотрения приняты следующие вещества: аммиак (1ЧН3), вода (Н20), бром(Вг2), йод (12), ртуть (Щ), углекислый газ (С02), хлор (С12), белый фосфор (Р).

В качестве замещающего газа выбирается вещество, которое обеспечивает максимальное время работы газодинамического затвора. При намерзании на криопанель сконденсированного газа в единицу площади выделяется тепловая мощность (2, приблизительно равная сумме трех слагаемых, определяемых следующими процессами: конденсация газа в жидкое состояние, охлаждение в жидком состоянии от точки кипения до точки замерзания и кристаллизация. Для единицы массы газа величина выделяющейся энергии равна ц = АНк +с(Тк — Тпл) + АНпл, где Тк, Тм -соответственно температуры его кипения и плавления, с - удельная Теплоемкость, АНк, ДНш - удельные теплоты испарения и плавления. Тогда тепловой поток при конденсации составит Q = q■m/S. Отсюда следует, что в толщине к конденсировавшегося вещества с коэффициентом теплопроводности Л создается разность температур АТ = ()-/г/А. Так как наблюдаемые процессы протекают медленно, рассматриваются стационарные уравнения теплопроводности. Таким образом, максимальная толщина намерзшего слоя равна

где Тп - температура криопанели; Т:[ - температура поверхности конденсата, которая равна температуре, соответствующей давлению насыщенных паров при 10"3 Па; й - диаметр отверстия, из которого идет истечение газа в вакуумную камеру; 5 - площадь поверхности криопанели; Р2 - давление газа в ресивере;

7 - постоянная адиабаты.

Скорость роста ледяного покрова на криопанели при условии конденсации всех падающих молекул равна

Н _АТ\^ (ТН-Т„)Л

7+1 ’

,• т п — —, рБ

где р - плотность намерзающего вещества, и она остается постоянной в процессе откачки. Тогда к = Ыр, где - время работы криопанели. При

„ пй1 I и г-( ? '№>■-0

потоке т = Р ——

2 4 УЯТ.

у + 1

по формуле

* =*=. ' ¡1

время откачки криопанели определяется

(Тн-Тл)Хр

№

пс12 2 т ' 2 '

4Б \ / ятг 17 + 1,

7+1 * (т-1)

Таблица 1.

Замещающий газ q,x\0i Дж кг . Вт м-К кг Р> Т м ^гпах> Х10'3 м к, хЮ'6 м с Vе

Ш3 1900 0,66 710 0,8 3,9 205

ВГ2 260 0,12 3200 8,4 2,5 3360

Н20 3000 2,20 920 23,7 2,4 9875

Ь 250 0,45 5000 87,5 4,2 20800

Н8 360 30,00 13200 7819,6 0,13 6Т06

О о 580 0,18 815 - -

р 610 0,24 1820 26,5 Ы 24090

С12 420 0,012 1550 6,5-10‘3 1,9 3

Рассчитанные значения параметров откачки для веществ, которые могут быть использованы в качестве замещающего газа, приведены в табл. 1. Здесь приняты следующие условия: Тп = 100 К — температура поверхности

криопанели; й = 4 мм - диаметр отверстия, через которое натекает газ из области с давлением Р2; Р2 = 3500 Па - давление в ресивере; для примера,

эффективная площадь откачивающей поверхности была принята равной £ = 500 см2.

В табл. 1 (¡- выделяемая единицей массы газа энергия при десублимации на криопанелях (сумма трех составляющих), А - теплопроводность конденсировавшегося вещества, р - его плотность, к — скорость роста конденсата, /гтах - максимальная толщина конденсата, - ресурсное время, в

течение которого криопанель проявляет откачные свойства.

После проведения расчета времени работы газодинамического затвора перспективными представляются следующие вещества - водяные пары, йод, ртуть, фосфор. Однако ртуть не может быть использована в электрофизических установках, так как является металлом и, следовательно, обладают высокой электропроводностью. При ее конденсации на керамических поверхностях возникает паразитная проводимость, препятствующая нормальной работе электронной пушки.

В данной работе для проведения экспериментальных исследований в роли замещающего газа были выбраны водяные пары, т.к. они обладают следующими достоинствами: доступны, дешевы, безвредны, удобны в работе; не требуют мощных систем подогрева и подачи; обеспечивают приемлемые времена работы.

Для проверки работоспособности предложенного узла выводного устройства на базе газодинамического затвора создана установка, схема которой представлена на рис. 3.

1 -рабочая камера, 2 - криопанелъ, 3 - емкость с жидким азотом, 4 - емкость с замещающим газом, 5 - диафрагма, б - объем с жидкостью, 7 - нагреватель,

8 - трубопровод, 9 - форвакуумный насос, 10 - диффузионный насос,

11-14 — вакуумные кран Установка состоит из вакуумной камеры 1; криопанели 2, расположенной в ней; емкости с жидким азотом 3 для охлаждения криопанели; ресивера 4 (объема, из которого водяные пары подаются в вакуумную камеру 1); фланца ресивера 5, в который устанавливаются сопла для реализации различных режимов истечения; емкости с водой 6 для генерации водяных паров; нагревателя 7; откачных систем 9 и 10; трубопровода 8, который соединяет объем с водой 6 с ресивером 4 и с системой откачки 9; вакуумных кранов 11-13 и вакуумного затвора 14. Система 9, соединенная с объемом 6, используется для дегазации воды.

Перед началом эксперимента откачивается вакуумная камера 1, одновременно с этим идет дегазации воды с целью получения для эксперимента чистых водяных паров. После достижения давления в вакуумной камере 1 на

л-2 3

уровне 10' -10’ Па и остановки откачки, а также окончания дегазации водяных паров, жидкий азот подается в емкость 3. Закрывается кран 12 (дегазация окончена) и 14 (отсечен насос 10, так как во время эксперимента откачка поступающих в вакуумную камеру водяных паров осуществляется только

криопанелью 2). С начала подачи водяных паров фиксируется время, давление в вакуумной камере, давление в ресивере.

Для исследования работоспособности предложенного газодинамического затвора были проведены серии экспериментов, в которых варьировались: давление водяных паров в ресивере (путем изменения мощности нагрева воды), ( критическое сечение сопла, отделяющего ресивер от вакуумной камеры; число

Маха в выходном сечении сопла. г

На рис 4 представлена фотография диска криопанели, на которой во

время эксперимента шло намерзание льда. |-

Рис.4. Фотография диска криопанели с образовавшимся на нем во время эксперимента слоем льда.

Таблица 2

№ м й, х10'3 м Р2, Па Р, Па т, 10'5 кг/с V, 105л/с *’с 1 1

1 1 4 400 0,0372 1,22 0,73 7800

2 1 4 3500 0,1117 10,69 1,13 6420

3 1 2 8500 0,0359 6,52 1,45 6960 к 1

Результаты ряда экспериментов представлены в табл. 2, где М число Маха в выходном сечении сопла, <1 - диаметр критического сечения сопла, Р2 -|

давление в ресивере во время эксперимента, Р - давление в вакуумной камере, т — массовый расход, V — скорость откачки, 1 — время проведения эксперимента (не ресурсное время ). Из результатов видно, что исследуемая

откачная система на базе газодинамического затвора позволяет организовать перепад давления более чем в 4 порядка, а также сохраняет свою работоспособность в течение продолжительного периода времени. Скорость откачки водяных паров из вакуумной камеры порядка 10 л/с. Следует отметить, что давление в вакуумной камере Р не пропорционально давлению в емкости с замещающим газом Р<> при изменении Ро в 10 раз Р меняется всего в 2-3 раза. Данное обстоятельство делает рассматриваемый метод создания перепада давлений в ВУ генераторов пучковой плазмы перспективным, так как демонстрирует сохранение стабильность рабочих параметров при значительных изменениях внешних условий.

В третьей главе расчетным образом исследуются процессы, протекающие при истечении струи пара в вакуумную область. Необходимо заметить, что состояние пара в ресивере в координатах «давление-температура», лежит выше кривой насыщения. При адиабатическом расширении струи пара, истекающего в область пониженного давления, падает как давление, так и температура. При достижении состояния пересыщенности, когда давление пара становится ниже давления насыщенных паров при данной температуре, первыми образуются так называемые кластеры - конгломераты молекул.

Наличие кластеров в струе пара улучшает процесс намораживания на криопанели. С другой стороны попадание потока кластеров достаточно большой концентрации может привести к деградации поверхности инжектора электронного пучка и понижению его функциональности. В связи с этим возникла задача математического моделирования процессов, протекающих при истечения газа (паров воды) в область с пониженным давлением.

Для описания стационарного истечения струи в вакуум с кластеризацией используется система дифференциальных уравнений, состоящая из уравнения

неразрывности, уравнения движения в форме Эйлера (вязкость в данном случае не учитывается) и уравнения энергии в цилиндрической системе координат. Решаемая система уравнений имеет вид:

йю(рс{Ь) = ]-,

(р*,+Д:Нй/У)® = -Ур;

[Р^+Рс)-{™'У)К=Ц. где р - плотность газа, рс - плотность кластеров в смеси, 10(11, V) - скорость смеси, Ь - удельная теплота парообразования, / - скорость прироста жидкой фазы. Скорость изменения жидкой массы рассчитывается из образования новых кластеров и изменения размеров уже существующих кластеров:

йг

¡ = рс1 + 4тгр1 ^г2~ф{г)йг,

где I =-------5----

■е

4^4

' ЗкТ

скорость образования кластеров

ькр 3 тп

критического размера, р{ - плотность жидкой фазы, (р^, <р, - химические потенциалы газа и жидкости соответственно, ф{г) - распределение кластеров

2<х

по размерам,

г*='

Рі

критическии радиус кластера,

8щ

32тг а

3 тр2 .К»-и).

количество молекул в кластере критического

размера, а - коэффициент поверхностного натяжения.

Данная система уравнений допускает решение с помощью метода характеристик, дополненного для расчета конденсации.

Конструирование необходимой сеточно-характеристической схемы должно начинаться с построения расчетной области. Во внутренних и струйных задачах расчетная область образуется четырьмя границами.

Первая граница, через которую газ втекает в расчетную область, поперечно ориентирована, т.е. непараллельна скорости втекающего потока. На данной границе задают все параметры, участвующие в расчете. Роль двух других границ в случае внутренней задачи выполняют стенки канала, следовательно, на них задаются условия непротекания. В случае истечения газа в среду с пониженным давлением расчетная область ограничивается свободной поверхностью струи. Здесь на границах необходимо задавать статическое давление, равное давлению в окружающей среде. Четвертая замыкающая граница не определяет течение в расчетной области, поскольку располагается ниже по потоку при сверхзвуковом режиме течения, следовательно, она может быть выбрана произвольно. Обычно это отрезок прямой, перпендикулярной оси симметрии потока. Расчетная область разбивается на слои х{ с шагом Ах, а каждый слой делится на отрезки с шагом Ау. Соответственно, узлы расчетной сетки могут находиться на оси струи, на стенке, на границе струи или во внутренней области струи.

При расчете внутренней точки С из нее назад по потоку проводятся характеристики двух семейств. В точках пересечения этих двух характеристик с предыдущим слоем с помощью квадратичной интерполяции внутри слоя определяются параметры газа в этих точках. Затем с использованием соотношений вдоль характеристик рассчитывается угол наклона линии тока в точке С. После этого проводится энтропийная характеристика из С назад по потоку до пересечения с предыдущим слоем. В данной точке пересечения также с помощью интерполяции находятся все параметры газа. Полученной информации достаточно для расчета параметров в точке С.

Если точка не является внутренней, то вместо соотношения для одной из характеристических линий используется условие непротекания (точка лежит на твердой стенке), симметрии (точка лежит на оси потока) или равенства ч давления в точке давлению в окружающей среде (точка лежит на свободной границе потока).

Величина шага между слоями расчетной сетки 8х должна выбираться с учетом того, что алгоритм применяется для расчета как приграничных, так и всех внутренних точек, а строится он таким образом, чтобы обе характеристики С+ и С~, проводимые из указанных точек, попали внутрь предыдущего слоя хг

Созданный на основе представленной математической модели программный модуль позволяется рассчитать не только параметры газа истекающего в вакуум, но и параметры процесса кластеризации, такие как: скорость образования кластеров, средний размер кластеров, функцию распределения кластеров по размерам в каждой точке.

Для истечения водяного пара в вакуумную область через сопла с числом Маха в выходном сечении сопла, равным М=1 и М=5, при давлении в ресивере для обоих случаев, равном 13300 Па, с температурой, равной 300 К, представлено распределение кластеров по размерам на оси струи (рис. 5) и на границе струи (рис. 6), где ^ - количество кластеров, содержащих 8 молекул.

с -Ц

г» уй і»

Рис. 5. Распределение кластеров по числу молекул на оси струи для различных чисел Маха в выходном сечении сопла.

Рис. 6. Распределение кластеров по числу молекул на границе струи для различных чисел Маха в выходном сечении сопла.

Как видно из рис. 5 и 6 для М = 1 распределения кластеров по числу молекул на оси и границе струи схожи; а для М = 5 кластеры, образовавшиеся на границе струи, содержат больше молекул, чем кластеры, образовавшиеся на оси. Из результатов расчета следует, что для М = 1 массовая доля кластеров в

потоке составляет примерно 0,007 %, а для М=5 - 0,64 %. Поскольку для обоих случаев массовая доля кластеров менее 1 % влияние кластеризации на работу пушки будет несущественным; тем не менее, для генераторов пучковой плазмы предпочтительны звуковые сопла в качестве межшлюзовых коммуникаций.

Основные выводы по работе

1. На основе анализа критериев выбора вещества для формирования замещающего газа проанализировано 8 веществ (№1з; Вг2; Н20; 12; Н§; С02; Р и С12), которые могут быть использованы для организации откачки с применением криопанелей, охлаждаемых жидким азотом. Показано, что для создания газодинамического затвора выводного устройства генератора пучковой плазмы наиболее перспективными из них являются Н20,12, и Р.

2. Разработана и создана экспериментальная установка для проведения исследований по определению характеристик газодинамического затвора и основных закономерностей истечения водяного пара в вакуумную полость и его конденсации на криопанели.

3. Экспериментально показана возможность достижения перепада давления с 104 до 10'2Па с помощью газодинамического затвора на основе водяных паров без применения вакуумных насосов. Эффективность откачки оценивается в 105 л/с, при этом ресурс затвора составляет 2,5-3 часа.

4. Разработана математическая модель, описывающая процессы кластеризации в струе замещающего газа, истекающего в вакуум. На соответствующий программный модуль получено авторское свидетельство о государственной регистрации.

5. На основе исследования истечения струи в вакуум через различные сопла показано, что максимальный уровень кластерообразования не превышает 1 % по массе. Наиболее предпочтительным для работы газодинамического затвора в составе ВУ генератора пучковой плазмы является звуковое сопло в котором кластеризация составляет 0,007 %.

Основные результаты и положения работы изложены в следующих публикациях:

1. Джанибекова С.Х., РизахаповР.Н. Расчет и экспериментальное исследование работы газового эжектора. // Труды ХЫУ научной конференции МФТИ. Аэрофизика и космические исследования. - М.: МФТИ, 2005 г.

2. Бобров В.А., Джанибекова С.Х., Котыхов С. А. Исследования применения газов в качестве затворных устройств. // Труды ХЫХ научной конференции МФТИ. Аэрофизика и космические исследования.

- М.: МФТИ, 2006 г. - 119-120 стр.

3. Джанибекова С.Х., Ризаханов Р.Н. Расчет газодинамического затвора. // Механические процессы управления. Том 1. Труды XXXVI Уральского семинара. - Екатеринбург: УрО РАН, 2006 г. - 147-158 стр.

4. Джанибекова С.Х. Разработка математической модели кластеризации паров воды при истечении струи пара в вакуум. // Труды 50-й научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук»: Часть III. Аэрофизика и космические исследования. Том 1. - М.: МФТИ, 2007 г. - 20-23 стр.

5. РизахаповР.Н., Джанибекова С.Х. Изучение кластерообразования при истечении паров в вакуум. // Перспективные материалы. Специальный выпуск (6). Часть 2. 2008. с 402-405.

6. Авторское свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2010611084 от 5.02.2010 г. на тему «Программа для моделирования гомогенной и гетерогенной кластеризации в газовых потоках, истекающих в вакуум, в задачах формирования нанопорошков и получения наноструктурированных покрытий (ОаБСк^егз)».

7. Джанибекова С.Х., Ризаханов Р.Н. Расчетные методы исследования физических процессов при синтезе нанопорошков // Неорганические материалы, 2011, том 47, № 11, с. 1402-1406.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В ГАЗОДИНАМИЧЕСКОМ ЗАТВОРЕ КАК ЭЛЕМЕНТЕ ГЕНЕРАТОРА ПУЧКОВОЙ ПЛАЗМЫ

Подписано в печать 13.01.2012. Формат 60x90/16.

Авт. л. 0,9. Уч.-изд. л. 1,1. Усл.-печ. л. 1,2.

Тираж 65 экз. Заказ № 02

Государственный научный центр Российской Федерации -' федеральное государственное унитарное предприятие «Исследовательский центр имени М.В. Келдыша»

І25438, г. Москва, ул. Онежская, 8

Текст научной работы диссертации и автореферата по механике, кандидата физико-математических наук, Джанибекова, Сапият Хисаевна, Москва

61 12-1/467

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ)»

На правах рукописи

Джанибекова Сапият Хисаевна

Исследование процессов конденсации и кластеризации в газодинамическом затворе генератора пучковой плазмы

Специальность: 01.02.05 Механика жидкости, газа и плазмы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук Ризаханов Ражудин Насрединович

Москва 2012

Оглавление

1 Обзор литературы по методам вывода электронного пучка в атмосферу 12

1.1 Устройства вывода электронного пучка в плотные газовые среды 12

1.1.1 Выпуск пучка с помощью фольгового окна....................15

1.1.2 Особенности вывода концентрированного электронного пучка с помощью газодинамических окон....................17

1.1.3 Методы снижения натекания газа................................19

2 Экспериментальное исследование устройства, предназначенного для вывода электронного пучка в атмосферу 31

2.1 Принцип работы газодинамического затвора ............ 31

2.2 Выбор замещающего газа......................... 34

2.2.1 Требования к замещающему газу............... 34

2.2.2 Ресурсные возможности замещающего газа......... 37

2.3 Экспериментальная установка "Иней"................. 41

2.4 Программа проведения экспериментальных исследований .... 47

2.5 Расчет параметров струи паров воды, истекающих в вакуумную камеру..................................... 48

2.5.1 Расчет угла разворота потока Прандтля-Майера на кромке сопла при различных числах Маха без учета пограничного слоя в сверхзвуковой части сопла.......... 48

2.5.2 Расчет геометрических характеристик висячего скачка уплотнения, возникающего при истечения паров воды в вакуумную камеру......................... 52

2.6 Результаты экспериментальных исследований и их обсуждение . 53

2.6.1 Обработка экспериментальных данных с помощью регрессионного анализа....................... 53

2.6.2 Оценка откачных возможностей единицы площади крио-панели................................ 70

2.6.3 Ресурсные испытания узла выводного устройства на базе газодинамического затвора.................. 72

2.6.4 Исследование откачных свойств криопанелей........ 74

3 Расчет конденсации паров воды, протекающей при работе газодинамического затвора, для определения влияния на инжектора, генерирующего электронный пучок 78

3.1 Математическое моделирование зародышеобразования в газовых струях, истекающих в вакуум................... 78

3.1.1 Равновесное распределение кластеров по размерам в ненасыщенном паре......................... 78

3.1.2 Кинетика гомогенного кластерообразования........ 80

3.1.3 Кинетика гетерогенного кластерообразования....... 85

3.1.4 Кинетика роста кластеров.................... 86

3.1.5 Учет кластеризации в уравнениях движения парокла-стерной смеси............................ 88

3.2 Разработка математической модели истечения паров в вакуум

и алгоритмов ее решения ........................ 93

3.2.1 Уравнения характеристик.................... 93

3.2.2 Конструирование сеточно-характеристических схем ... 98

3.2.3 Расчет внутренних точек..................... 99

3.2.4 Расчет точек на границе.....................102

3.2.5 Выбор шага интегрирования..................103

3.2.6 Вывод уравнения эволюции и граничного условия для него..................................103

3.2.7 Метод характеристик для численного решения уравнения эволюции спектра......................105

3.2.8 Численное моделирование течения газа с неравновесной конденсацией с расчетом спектра кластеров ........107

3.3 Блок-схемы алгоритма расчетного модуля..............107

3.4 Верификация математической модели .................115

3.5 Результаты расчета.............................119

Литература 133

Введение

Вместе с тем открываются новые возможности применения пучковой плазмы для решения таких задач как неравновесная плазмохимия, очистка дымовых газов от токсичных примесей, аэрофизические эксперименты и т.д., что привело к созданию установок для реализации упомянутых выше технологий [4-6].

Существующие в настоящее время генераторы электронно-пучковой плазмы (ГЭПП), ввиду их больших массы и габаритов, представляют собой стационарные установки. Для расширения применимости ГЭПП необходимо, во-первых, понизить энергопотребление, во-вторых, улучшить массогабаритные характеристики. Выполнение этих двух условий приведет к созданию мобильных ГЭПП, которые, в том числе, могут функционировать, будучи расположенными на движущемся транспортном средстве.

Основными элементами ГЭПП являются: источник высокого напряжения, ускоритель электронов (или электронная пушка) и выводное устройство (ВУ), транспортирующее электронный пучок в плотную газовую среду из вакуумной области. Выводное устройство генератора плазмы рассматривается как ключевой элемент. Во многих разработанных установках [7-9] ВУ представ-

ляет собой систему дифференциальной откачки (СДО), состоящую из ряда шлюзовых камер с автономной вакуумной откачкой. Работа таких установок описана в [10,11]. В работе [12] представлен обзор современных генераторов электронно-пучковой плазмы и определены методы, позволяющие улучшить их массовые и габаритные характеристики. Одним из перспективных способов является метод замещающего газа с применением газодинамического затвора в качестве ВУ. Суть метода замещающего газа состоит в замене натекающего в ГЭГ1П газа из рабочего объема (как правило, воздуха), на другой легкооткачиваемый, например, при отсекание воздуха водородом, последний попадает в СДО. Производительность его откачки, например, диффузионными насосами в несколько раз выше, что позволяет снизить массогабаритные характеристики ВУ, повысить его надежность, маневринность, технологические возможности.

Повышение возможностей ГЭПП за счет усовершествования работы ВУ, в частности применения метода замещающего газа, является актуальной задачей.

1. На основе анализа теплофизических характеристик различных веществ выбрать вещество для создания замещающего газа, позволяющего с помощью газодинамического затвора обеспечить перепад давлений, необходимый для работы выводного устройства.

2. Разработать и изготовить экспериментальный макет газодинамического затвора для конкретного замещающего газа и исследовать эффективность работы такой системы в зависимости от различных параметров

(термодинамических, геометрических и т.д.).

3. Провести экспериментальные исследования газодинамического затвора с целью определения основных закономерностей его работы, его функциональных и ресурсных возможностей, а также выработки рекомендации по его применению.

4. Разработать математическую модель, описывающую процессы, протекающие при работе газодинамического затвора, включая истечение пара из сверхзвукового сопла в область пониженного давления и его конденсацию в объеме.

5. Определить на основе расчетов, выполненных по указанной программе, возможное влияние конденсации на работу генератора пучковой плазмы. В случае существенного влияния сформулировать ограничения на рабочие параметры откачной системы.

Методы исследований: в работе применялись экспериментальные методы изучения работы газодинамического затвора, вопросы кластерообра-зования исследовались расчетными методами. Для исследований процессов истечения газов и эффектов конденсации и кластеризации, определения характеристик затвора использовалась установка "Иней", в которой реализовы-вались различные условия истечения замещающего газа в вакуумную камеру. В процессе проведения экспериментальных исследований изучалось влияние различных параметров установки на эффективность работы газодинамического затвора. Для описания процессов, протекающих в струе при истечении замещающего газа в вакуум, был разработан программный модуль.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. Впервые экспериментально показана возможность создания многоразового выводного устройства генератора пучковой плазмы, способного работать без вакуумных насосов.

2. Впервые изучены ресурсные характеристики газодинамического затвора, обеспечивающего перепад давлений в 4-5 порядков (ю~2 4-104 Па) без применения внешних откачных средств.

3. Расчетными исследованиями показано, что массовая доля конденсированной фазы (кластеров) в струе замещающего газа во всем диапазоне исследуемых параметров газодинамического затвора не превышает 1% и достигает минимального значения при использовании звукового сопла. Это позволяет утверждать, что процессы кластеризации не влияют на работоспособность источника электронов.

Практическая ценность работы ззаключается, прежде всего, в том, что разработанная система вакуумной откачки на основе газодинамического затвора позволяет существенно улучшить массогабаритные характеристики ГЭПП. Создание малогабаритных ГЭПП открывает новые возможности перед машиностроением и металлообрабатывающей отраслью, например, позволяет использовать ГЭПП в различных технологических процессах (резка, сварка металла, упрочнение поверхности) на производствах, которые расположены не только в индустриальных центрах, но и в удаленных населенных пунктах. Размещение подобных ГЭПП на транспортных средствах позволит сделать их мобильными и, следовательно, дополнительно расширить диапазон их применения. Кроме того, разработанная откачная система на базе газодинамического затвора помогает снизить энергопотребление по сравнению с существующими системами дифференциальной откачки, и, таким образом, может быть использована в вакуумнотехнических устройствах, работающих в аналогичных условиях.

текающего в вакуум, но и для оптимизации различных технологических процессов, для которых параметры конденсации играют существенную роль (к ним относятся, например, синтез нанопорошков, нанесение покрытий и т.д.).

Расчетный алгоритм был разработан в рамках выполнения Государственного контракта №300-И/009-08/7949-П от 06.11.2008 г. с ФГУП "ЦНИИ ХМ". Результаты расчетов на основе данного алгоритма вошли в научно-технический отчет о выполнении работ по Государственному контракту № П2481 от 19.11.2009 г. с Федеральным агентством по образованию в рамках федеральной целевой Программы "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 годы. Было получено авторское свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010611084 от 5.02.2010 г.

Положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Методика выбора вещества для формирования замещающего газа и схема его применения.

Достоверность полученных экспериментальных результатов обеспечивается тщательным планированием эксперимента и качественным эксперимен-

тальным оборудованием, аттестованным Ростестом. Достоверность разработанной в диссертации расчетной методики подтверждена сравнением ее результатов с экспериментальными данными, полученными в работах других авторов.

Апробация работы Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях:

- ХЬУШ научная конференция МФТИ (г. Москва, 2005 г.);

- ХЫХ научной конференции МФТИ (г. Москва, 2006 г.);

- 50-ая научная конференция МФТИ "Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук" (г. Москва, 2007 г.).

- I Международная конференция "Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества,"(г. Суздаль, 2008 г.)

- Научно-техническая конференция - конкурс молодых ученых, посвященная 75-летию ФГУП "Центр Келдыша" (г. Москва, 2008 г.)

- Первая Всероссийская конференция с элементами научной школы для молодежи "Функциональные наноматериалы для космической техники" - НАНОКОСМОС (г. Москва, 2009 г.)

- Международная научно-техническая конференция "Нанотехнологии функциональных материалов", (г. Санкт-Петербург, 2010 г.)

- III Международная конференция с элементами научной школы для молодежи "Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества" (г. Суздаль, 2010 г.)

Публикации

Работа содержит результаты, полученные в период с 2004 г. по 2011 г. и изложенные в 7 печатных и 6 рукописных работах, из которых 3 - в рефе-

рируемых журналах; получено авторское свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Часть 1

Обзор литературы по методам вывода электронного пучка в атмосферу

1.1 Устройства вывода электронного пучка в плотные газовые среды

В настоящее время электронный пучок, выведенный в газовую среду, рассматривается как универсальный инструмент, способный решать ряд научно-технических и технологических задач. Вневакуумная реализация таких процессов как поверхностное упрочнение, сварка, резка металлов существенно повышает их производительность в сравнении с вакуумным исполнением. В последние годы активизируются работы по использованию концентрированных потоков электронов в данных технологиях [1-3].

Вместе с тем открываются новые возможности применения потоков электронов, выведенных в плотную газовую среду, для решения таких задача как неравновесная плазмохимия, очистка дымовых газов от токсичных примесей, аэрофизические эксперименты и т.д., что привело к созданию установок для реализации упомянутых выше технологий [4-6].

Проблема вывода электронов в атмосферу состоит в том, что пучок может формироваться и ускоряться до высоких энергий только в области достаточно глубокого вакуума (ю~2-1(Г4 Па). При больших давлениях существенно ухудшается качество пучка вследствие рассеяния электронов на частицах остаточного газа, возрастает вероятность пробоя между электродами ускорительной системы.

Принципиальная схема установки генерации пучковой плазмы, основанной

на транспортировке концентрированного электронного пучка в плотную газовую среду представлена на рис. 1.1. Она состоит из электронной пушки 1, генерирующей пучок 3, выводного устройства 2, источника высоковольтного напряжения 4, систем вакуумной откачки 5, силового питания 6, охлаждения 7, а также управления 8. Электронный пучок формируется в условиях глубокого вакуума 1СГ3 Па). Выводное устройство (ВУ) предназначено для обеспечения перепада давлений между рабочим объемом 9, где происходят основные технологические процессы, и полостью электронной пушки. В зависимости от рода прикладных задач давление в рабочей области составляет 102 - 105 Па. Источник высоковольтного напряжения 4 обеспечивает ускоряющую разность потенциалов в электронной пушке и определяет энергию (и скорость) формируемого пучка. Система откачки 5 состоит из ряда вакуумных насосов, удаляющих газ из камер выводного устройства. Система питания соленоидов 6 предназначена для создания магнитного поля, сопровождающего пучок в ВУ. Постоянный электрический то, проходя через ряд соленоидов (не показаны на рис. 1.1), генерирует фокусирующие поля и огриничивает поперечные размеры пука. При такой транспортировке пучок способен проходить через малые отверстия, что минимизирует натекание газа из окружающей среды (т.е. со стороны 9 в сторону 1).

Элементы ВУ испытывают непрерывные тепловые потоки со стороны как электронного пучка, так и натекающего раскаленного газа. Для устранения их влияния энергонапряженные узлы ВУ охлаждаются системой 7.

Именно конструкция ВУ определяе