Теплофизическая модель приэлектродных процессов тепломассопереноса в газовом разряде тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ-ИШЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

П ГС л ^ » ! О V . 1

4 > *

¡СЛ.

На правах рукописи

АЛЕКСЕЕВ Сергей Викторович

ТЕШШШЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРИЭЛЕКТРОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ТЕШЮМЛССОПЕРНОСА В ГАЗОВОМ РАЗРЯДЕ

01.04.14 - теплофизика и молекулярная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Автор: „Л^есг.с''

Москва - 1995

Работа выполнена в Московском государственном инженерно-физическом институте (техническом университете).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Леев В.И. .

Официальйые оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Пистунович В. И. . доктор физико-математических наук, ' старший научный сотрудник Хрупкин В. Б.

Ведущая организация: ТРИНМТИ, Московская обл., г. Троицк.

Защита состоится " И " ш^та 1996 г. в часовС>0мин

на заседании диссертационного совета К.053.03.02 в МИФИ по адресу: 115409, Москва, Каширское шоссе, д.31, МИФИ, тел.324-84-93.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ

Автореферат разослан " ^ " ус^/я 1996 г.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации.

Ученый секретарь диссертационного совета

В.Н.Яльцев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

: Актуальность исследований.. Мощные газовые разряды имеют место в различных областях техники, таких как коммутационные устройства высоковольтных электрических цепей, подвижные токосъемники, электро-дуговая сварка, электродуговые ускорители ЭДУ плазмы и макротел.

Мощные газовые разряды сопровождаются значительной эрозией электродов, ограничивающей срок эксплуатации коммутационных и контактных .устройств. Несмотря на огромное количество опубликованных работ в области электродной эрозии, остается достаточно широкое поле для исследовательской работы экспериментального и теоретического плача по изучению тепловых и гидродинамических механизмов тегоюмассопереноса (ТМП) в ыежэлектродном пространстве и на поверхности электродов. В ряде случаев отсутствие адекватной физико-математической модели затрудняет обобщение имеющегося обширного 'экспериментального материала, а также приводит к неудачам при попытке практического использования накопленных экспериментальных данных. В качестве одного из примеров можно привести опыт разработки электродинамического ускорителя ОДУ) макротел.

• Использование рекомендаций для расчета эрозии электродов, полученннх на ускорителях' шгазш, применительно к ЭДУ макротел давало шз?.:с.тлость предсказать высокие технические характеристика! ускорителя макротел. На практике реализовать эти характеристики до сих пор не удалось. Как показали многочисленные экспериментальные исследования, в основе этой неудачи находится недооценка интенсивности процессов ТШ з приэлектродном слое сильноточного газового разряда.

■ В данной работе на основе проведенных экспериментальных и теоретических исследований предложена физико-математическая модель ТШ в сильноточном газовом разряде,' позволяющая производить оценки скорости эрозионного разрушения электродов. С помощью этой модели выполнен расчет характеристик плазменного поршня ЭДУ диэлектрических макротел. Кроме того проведенные экспериментально-теоретические исследования ТШ в сильноточном газовом разряде позволяют преодолеть некоторые затруднения принципиального характера, возникающие при описании динамики развития процессов элект-

рической эрозии на поверхности электродов.

Дель работы: .

1. Исследование ТМП в приэлектродном слое дугового разряда при различных токовых нагрузках.

2. Разработка физико-математической модели ТШ в газовом разряде, позволяющей проводить оценки тепловых нагрузок на поверхность электрода и разрушения электродов.

3. Построение физико-математической модели плазменного поршня ЭДУ макротел с использованием результатов исследования ТМП в газовом разряде и приводимых в- литературе данных по испытанию рельсовых ускорителей диэлектрически« макротел. \ ■ ;

Задачи исследований: .. ■/' ,

1. Разработать экспериментальную методику определения эрозионного . повреждения и теплового нагрухения электродов в сильноточном импульсном газовом'разряде. ,

2. Изучить характерные особенности повреждения'поверхности элект- . родов в сильноточном импульсном газовом разряде.

3. Выяснить основные (предельные) электро-тепловые механизмы эрозии поверхности электродов в сильноточном импульсном газовом разряде.

4. Провести теоретическое обобщение полученных в данной работе и литературных данных по эрозии поверхности электродов в сильноточном импульсном газовом, разряде. ■/•••

5. Разработать рекомендации: по снижению эрозионного повреждения электродов устройств, .работающих в условиях сильноточного импульсного разряда. Г '

Научная новизна: . ■ ■; -

1. Разработана оригинальная экспериментальная методика для определения тепловых , потоков и уноса массы с поверхности раздели- ; тельного электрода. '/-*;- •..."'. * . . • ' •'■•■'

2. Выполнено детальное микроскопическое. исследование характера повреждений электродов в газовом разряде и распределения про- . дуктов разряда на поверхности электрода в условиях . различных -сочетаний материалов электродов и разнообразной геометрии электродной системы. ■ 1

3. Разработана экспериментально подтвержденная модель тепловой контракции тока на поверхности электрода, позволяющая прово- .

;v .'Л- б - ■ ' ■ •

дить количественную оценку эрозии поверхности электродов в пятнах.контракции тока.

4. Предложена физическая модель повышенной эрозии электродов в сильноточном газовом разряде,.основанная на учете гидродинамического капельного уноса расплавленной массы электродов.

5. Обосновано происхождение высоких тепловых нагрузок из плотной плазмы насыщенного металлического пара.

Апробация работа. Основной материал работы изложен в пяти -публикациях и на XI Международной конференции по взаимодействию плазмы с поверхностью твердого тела в установках управляемого термоядерного синтеза, Япония, Мито, Ибараки, 23-27 мая, 1994 г. (11th International Conference on Plasma Surface Interactions in Controlled Fusion Devices, 23-27 May, 1994, Mito, Ibaraki, Japan). ;•".„'.'

Положения, выносящиеся на защиту:

1. Экспериментальная методика определения эрозионного уноса на . поверхности электродов, гальванически изолированных от электрической цепи протекания, тока разряда.

2. Результаты экспериментального исследования эрозионного уноса и поглощенного из газовбго разряда тепла в электродах, гальванически изолированных от электрической цепи протекания тока раз-

■ рада. •.,/•

3. Результаты микроскопического исследования следов эрозии на по-

• верхности электродов после газового разряда.

4. Теплофизкческие модели контракции тока в объеме плазмы разряда и на поверхности электродов.

5. Теплофиаическая модель эрозии поверхности электродов в пятнах . концентрации тока в газовом разряде.

"6. Теплофкзическая модель тепломассопереноса на поверхности электродов при конденсации пара материала электродов из объема . плазмы газового разряда. 7. Методика расчета термического к.п.д. электродинамического ус-

• корителя макротел с плазменным поршнем, состоящим из насыщенного пара материала электродов.

Структура и объем работы. Положений работы описаны в б разделах и Приложении. Диссертация изложена на 148 стр.. в т.ч. 106 ... стр. машинописного текста ; содержит 54 рисунка, 1 таблицу и спи-

сок из 129 наименований использованных литературных источников.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В работе проведено экспериментально-теоретическое исследование процессов тепломассоперекоса в приэлектродных слоях газового разряда.

Тепломассоперенос в приэлектродных слоях газовог.о разряда исследовался на установке, принципиальная схема которой показана

Ри».& Схема ехоперинснглльмаи иотакоски дда изучгшед ороеивншик лроцго-соь нл пссиркяости *

I - плагтикка-обРЕггц; 2 - термопара; Э - дараат«ль оСраоаоь! 4 - стерзиаша аламрвя/н; 5 — зюра&ляагакб рэдрядоде.; 6 - далм-тсл* напрякэныя с коаодкцыектек 13,4«

Пластинка ,из .исследуемого материала,'. исходно изолированная от электрических цепей ,разряда, , помещалась мезду стержневыми электродами в держателе, .обеспечиваздем тепловой контакт прижимной термопары с поверхностью пластинки.■ После инициирования разряда происходила контракция тока разряда на обеих поверхностях пластинки. Эрозия материала те определялась'взвешиванием пластин- . ки до и после разряда. Вольтов эквивалент поглощенного тепла определялся отношением поглощенного пластинкой, во время разряда тепла От (по изменению температуры пластинки во времени)« изме-

репной величине заряда (Зв, прошедшего через разряд. Такая методика экспериментального исследования позволяла достаточно точно определять вольтов эквивалент поглощенного тепла и убыль массы пластинки в результате эрозии.

Исследовалась зависимость величин те=те/ав, 7Ч от 0е. Экспериментальные результаты для медных пластинок представлены на рис.2.

ЛЪ мг/Кл. и »

3 - О а О 2<î 20 16

2 о - a о a а - 12

1 _ - О О , О О | О ! - Q 1

о г 2 3 1

Гис.2 ÖzcnsptiMaiiTa/iwit!:» зависимости ндгльной эрозии Л?» СО) н atbiivroeord о^виггигита пог/тощеиного тепла. Vij in) от пзлчого аарняд <3а> проаадаого через разряд.

Из представленных экспериментальных зависимостей следует, что при превизения величины Qs, рапной 4 Кл, наблюдается резкое увеличение удельной эрозии п0. При переходе через пороговую величину Qat=4 Кл такке наблюдается постепенное увеличение вольтового эквивалента поглощенного тепла Vö.

Микроскопическое исследование ■ поверхности пластинок после разряда показало, что пороговое увеличение эрозии материала пластинок сопровождается качественным изменением характерного вида следов эрозионного разрушения на поверхности пластинок. Если до пороговой величины Ost эрозия происходила в основном в дуговых микропятиах, то зря достижении величины Qet наблгщалось оплавление поверхности пластинок на участках, значительно превышающих своими размера® след« разрушения в микропятнах. В пределах зоны оплавления поверхность пленки расплава возмущена волнами., которые являются источником образования капель разного размера, змиттиру-емых в объем и за пределы объема разряда.

Аналогичные явления наблюдались в экспериментах с пластинка- . ми, изготовленными из молибдена и вольфрама, но каждый из исследованных материалов характеризовался своим (большим чем у меди) значением Оеь- ' ' ,

В результате дальнейших экспериментов выяснилось также, что величина зависит и от условий разряда: материала и диаметра . стержневых электродов, расстояния между торцевыми поверхностями электродов и поверхностями пластинок.; Причем, для более легкоплавких металлов, используемых для изготовления стержневых электродов, наблюдались меньшие значения Оеи-

В тех экспериментах, когда стержневые электроды изготавливались из более легкоплавких металлов по сравнению с материалом пластинки (например, медь и вольфрам), зона интенсивного эрозионного разрушения на поверхности пластинки имела окантовку из застывшей пленки сконденсировавшегося пара материала стержневых электродов. ..'•:■'■

В результате экспериментального исследования тепломассопере-носа была определена цепочка процессов, приводящих к пороговому увеличению эрозии электродов в сильноточном газовом разряде. Наблюдается следующая последовательность явлений:

1)Сначала развивается эрозия в пятнах привязки микродуг, обеспечивающая поставку плазмообразущего, материала (в виде пара и капель) в количестве, необходимом для протекания тока разряда и восполняющем потери плазмообразующей среды на стенки и в окружающую среду. В этом режиме удельная эрозия щ и вольтов эквивалент поглощенного электродом тепла Уц не зависят от заряда <Зе, прошедшего через разряд.

2)В результате избыточного поступления материала электродов в объем разряда плотность плазмы в разряде'повышается, что приводит к росту давления и градиентов давления в плазме.

3)Под действием градиентов давления возникает гидродинамическое движение плазмы. '.:■""

4)Тепловое и механическое взаимодействие.потока плазмы с поверхностью электродов, сопровождающееся конденсацией пара, материала ; электродов на их поверхности, . способствует быстрому плавлению материала электродов и уносу расплава в виде капель в объем разряда. При этом наблюдаются: пороговое увеличение.удельной

эрозии щ, . увеличение вольтового эквивалента поглощенного электродом тепла резкое увеличение давления плазмы (в уело- ' ; виях пространственно ограниченного разряда).

Поскольку звено 2 и звено 4 в цепочке описанных процессов замыкаются в кольцо положительно обратной связи, то происходит смена ведущего.механизма эрозии (от эрозии в пятнах привязки тока к эрозии, обусловленной плавлением и механическим разрушением пленки расплава под действием потока плотной плазмы).

• . Эрозия поверхности в пятнах привязки микродуг обусловлена нарушением • однородности распределения тока в плазме. Причиной возникновения неустойчивости в объше плазмы, находящейся в постоянном электрическом поле, может стать флуктуационнсе возмущение температуры. В области относительно низких температур наиболее сильно изменяется с-температурой проводимость плазмы б, поэтому изменением остальных параметров, входящих в уравнение теплопроводности, можно пренебречь. Тогда уравнение теплопроводности в цилиндрической системе координат (0,п,г), ось которой совмещена с центром аксиально симметричного возмущения температуры 8, запишется в виде:

•1 'с® 1 с/ ' _ <Я , 6(8) 2

а • Л г с'г . с!г X

Е , (1)

где Е - напряженность однородного, электрического поля в меюлект-родном зазоре, а=Х/(Срр), 9=Т-То - - возмущение, температуры, То~температура, начиная с которой проводимость плазмы резко возрастает. Уравнение (1) решалось численно. Причем, с целью упрощения' численных расчетов (для получения качественного решения) использовалась степенная зависимость проводимости плазмы от■ температуры 6 = А-8П (где п=10-20), а для флуктуации температуры 8 -функция случайного распределения Гаусса:

где В(1), b(t) - амплитуда и дисперсия распределения, зависящие от длительности процесса Ь. В зависимости от конкретных условий (физических свойств плазмы А, Л, п; напряженности поля Е и на-

чальных значений амплитуды в(0) и дисперсии Ь(0) теплового Возмущения) может произойти либо рассеяние возмущения, и. его гибель, либо нарастание амплитуды возмущения В(Ь) во времени и следувдий затем тепловой и электрический пробой слоя. плазмы ' (рис.3). В рассматриваемой простой модели направление процесса определяется безразмерным параметром К-АЕ2-Ьо2-Воп"1А (зависящим от свойств, плазмы А, Л, начельхых параметров возмущения Ьо. Во и внешних условий - напряженности поля Е). Как видно из рис.3, существует критическая величина Счксхенкое выражение которой получено из условия с!В+/с!Ь+>0 прх и=0) К=Ккр= [2п (п+1) 3 / ГЗп+1 ] , при превышении которой развивается контракция тока в объеме плазмы.

При этом.в плазме формируется канал тока, в котором вместе с рос- . том температуры растет плотность тока и суммарный ток разряда.

Существование критического значения ККр означает, что критические начальные параметры связаны медду собой. . Прячем при фиксированной начальной амплитуде возмущения Во существует критический размер области возмущения Ьо, «р. при превыиении которого, параметром Ьо происходит контракция, в. противном случае возмущение затухает. ••''."■•.■:-..

Математическая модель развития тепловой неустойчивости ..на . границе плазма-поверхность электрода подобна'рассмотренной ■ ранее -

О 0,3 0,4 0-6 0,2 .1,0 «•+■

з - к=1,оса31 к№; 4 - к=о,е кх{> .

модели развития тепловой неустойчивости в объеме плазмы. Однако-теперь источником возмущения является флуктуационное возмущение температуры электрода. Физически возможность стягивания тока в пятно на поверхности электрода обусловлена сильной зависимостью проводимости плазмы от температуры электрода в приэлектродном

■ слое.. При формулировке этой задачи появляется третий параметр флуктуациояного возмущения: характерная толщина теплового возмущения в электроде (вблизи поверхности электрода) 5. Решение этой задачи содержг два Критерия Ко. Ке, определяющих направление процесса. В зависимости от значения критериев К0, Ке (при фиксированном п) возмущение либо затухает, либо нарастает, причем, во втором случае вместе с ростом амплитуды- теплового возмущения В наблюдения уменьшение характерной ширины возмущения b и толщины теплового слоя 3. При этом в области возмущения увеличивается плотность тока, :т,е, происходит стягивание тока в пятно проводи-кости. Посколысу критические значения критериев к0, Ке взаимосвязаны, ■ то. это дает возмжяссть получить, критическое условие тепловой неустойчивости, которое включает как "внешние" параметры (падение напряжения V в- приэлектродном слое,'плотность теплового потока на. внятней поверхности призлектродного слоя qn)-, физические свойства плазмы Л, А, п,. так .«'"внутренние".параметры теплового возмущения Во, bo» So- Происхождение "внутренних" параметров мо-

■ дет быть обусловлено наличием выступов шероховатостей на поверхности электрода, пульсациями температуры поверхности при турбулентном течении • плазмы, физическими неоднородностями материала электрода вблизи поверхности или другими причинами. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что стягивание тока в пятна происходит не только на катодах (катоднце пятна привязки микро-дуг), но ' и анодах.

Необходимо отметить, что данная модель не предполагает в качестве необходимого условия развития микродуг наличие заостренных микровыступов на.поверхности электродов, вследствие чего тепловое разрушение поверхности электродов в пятнах привязки микродуг объясняется более естественными причинами (безотносительно к микрогеометрии поверхности электродов).

;В результате стягивания тока разряда в микроп'ятна на поверхности электрода происходит плавление, испарение и взрыв микрообъ-

емов материала электродов (в области контракции тока). Стационарное распределение температуры Т в электроде с распределенными источниками джоулева тепловыделения от протекающего по электроду тока в пятне хп в сферической системе координат.имеет вид (с некоторыми неважными для качественного решения упрощающими допущениями) • - '"

1 а ат : 1цг 1 -

-Г2-Х -+ -- • - = 0 . (3)

г2 с1г <Лг 41 г б(Т)

где б(Т) - удельная проводимость материала электрода б(Т) = (эе-Т)-1; х - температурный коэффициент удельного сопротивления материала электрода; X - теплопроводность материала электрода. В результате решения уравнения (3) получены предельные величины тока пятна 1Пр=Я2-гл-(Х/ае)1/2 и плотности тока Зпр=Я-(Х/ж)1/2Гл-1 в пятне радиусом гп, при которых происходит разрушение материала электрода под пятном привязки микродуги. Оценки численных значений 1Пр, 3пр .Для меди, вольфрама и молибдена хорошо согласуются с . результатами проведенных в данной работе экспериментальных исследований и данными, представленными в литературных источниках.

Увеличение радиуса пятна стягивания во времени гп«(аЬ)1/2 происходит вследствие нестационарной теплопроводности (для материала электрода с температуропроводностью а). Соответствующей пятну с радиусом гп ток пятна 1пъж2(а\/х)1/гЛ1/2' является производной от заряда Де» прошедшего через пятно, что позволяет установить соотношение между Ое и массой материала, которая выбрасывается из области электрода, подвергающейся сильному нагреву, ше=(2/3) -я-ргп3: • •. . ■

Ше й . . (х-а)1'2 . с^ , - (4)

где Ср - удельная теплоемкость материала электрода.

Формула (4) описывает линейную зависимость эрозии материала электрода от величины заряда, . прошедшего через разряд,. поэтому удельная эрозия ше=ше/0е=(х-зе)1/2/(яСр) не зависит от величины . заряда Ое (до пороговой величины заряда . а определяется электрическими и тепловыми свойствами материала электрода, что и подтверждается результатами. экспериментального исследования

(см. рис.2).. Оценка величины удельной эрозии для меди согласно" полученным зависимостям дает те=0,1 мг/Кл. Экспериментальные результаты, представленные, на рис.2, дают величину те=ОД1 мг/Кл. Для вольфрама и молибдена также получено удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных результатов, что подтверж-' дает обоснованность представленной модели эрозии в пятнах привязки микродуг.

Началу интенсивного уноса массы материала- электрода • соответствует некоторое критическое (пороговое) значение энергетического вклада'или теплоты в расчете на единицу поверхности, при котором достигается плавление материала электрода. Очевидно, что численное значение этого порога зависит от конкретных ' условий разряда. При этом эродирующая масса электрода те определяется из соотношения ...

t

ГплТПе * iQcdt , (5)

о

где. Гол - скрытая' теплота плавления материала электрода, Qc -тепловой поток, поглощаемый в электроде. Если представить Qc=VqI, полагая Vq (как это часто делается) константой данного материала электродов, то опять получится линейная зависимость ■ эродирующей массы электродов от Qe=yi6t. Однако из рис.2 следует, что Vq остается константой лишь в определенных условиях и начинает существенно изменяться при достижении порога эрозионного разрушения электрода. Поэтому физический смысл использования Vq при расчете эрозионного разрушения электродов теряется.

Величина Ос, входящая в (5), может"иметь несколько составляющих; излучение плазмы, конвективная передача тепла от горячей плазмы к электроду. ■ теплота, выделяющаяся при рекомбинации ионов и электронов.. В дальнейшем рассматривается одна из возможных составляющих Ос. .вклад которой в эрозионное разрушение электродов может стать определяющим. Это - тепло конденсации пара материала электродов.. ■■■..•

Как уже говорилось, унос мелких капель расплава с поверхности электродов может способствовать быстрому насыщению ллазмы разряда парами материала электродов. Особенно ярко этот эффект наб-

людается при пространственно ограниченном разряде. В качестве, примера рассматривается разряд плазменного поршня рельсового, ускорителя макротел, давление в' плазме которого может достигать • 102МПа, а скорость движения поршня достигает нескольких километров в секунду- Согласно проведенным расчетам- гидродинамический унос расплава турбулентным потоком насыщенного пара ыедк при скорости 1 км/с и давлении 102Ша приводит к насыщению объема плазмы каплями с наиболее вероятным размером 0,15 мкм. Капли, обладав развитой суммарной поверхностью испарения, быстро пополняет потери пара за счет конденсации на поверхности электродов. Связанный с интенсивностью конденсации поток тепла дКонд=1,3-10го Вт/к2 сравним по величине с излучением плавш с эффективной.степенью черноты равной единице и температурой ~ 2-10%. К потоку тепла конденсации добавляется поток тепла, обусловленный конвективным переносом дКолв=0,47-Ю10 Вт/м2. Суммарная тепловая нагрузка поверхности электродов может значительно превышать теллоау» нагрузку только от излучения плазмы (поскольку температура насыщенного дара меди при давлении 102МПа не превышаэт 104- К). При указанной величине теплового потока на поверхности электродов паазлэиие начинается через несколько микросекунд поело.начала ¡сойтакта плазма с поверхностью.

Таким образом, ' количественные оценки интенсивности' теп-ло-массообмена в сильноточном газовом разряде при высоком давлении и большой плотности позволяют обосновать возможность существования самоподдерживающейся структуры разряда с интенсивным разрушением поверхности электродов. ■ .

Образование, плазменного поршня, , состоящего из насыщенного пара материала электродов, и обусловленное этим интенсивное разрушение электродов в рельсовом электродинамическом ускорителе макротел с плазменным поршнем (РЭДУ) приводит к неработоспособности (в области проектных параметров) экспериментальных моделей этого типа ускорителей. Спроектированные- для работы с коротким (несколько сантиметров) легким плазменным поршнем, температура которого согласно расчетам должна достигать (0,5*1)-105 К, а скорость движения вместе с макротелом - нескольких десятков км/с, такие модели ускорителей продемонстрировали более чем скромные результаты по скорости движения . макротела, не превосходящей

10 км/с. Такая неудача объясняется упрощенным подходом при рас-' смотрении процессов эрозионного разрушения электродов под действием потока плазмы.

Эксперименты на РЭДУ свидетельствуют о том, что в них поршень имеет значительно большую длину, чем он имел бы при темпера; туре плазмы в поршне порядка нескольких десятков тысяч кельвинов. Это можно объяснить образованием плазменного поршня, состоящего не из перегретого и- полностью ионизованного пара (газа), а состоящего из пара, близкого к состоянию'насыщения. При этом масса пара в поршне'мояет в несколько раз превышать массу ускоряемого тела, что резко сягаает,эффективность передачи энергии источника питания, ускоряемому телу. Кроме того, интенсивный массоперенос на .границе пориень/поверхность электродов приводит к возникновению значительного эффективного трения между системой поршень-макроте- -ло и поверхностью канала РЭДУ. . *

Исследование энергетического баланса для плазменного поршня, состоящего из насыщенного'пара материала электродов, показало, что существенную роль в процессах тепловой диссипации подводимой . к плазменному поршню энергии играет наличие пространственных не-однородностей в распределении плотности тока и связанной с ними неоднородностью в распределении скорости в форме локальных МГД -вихревых течений. Основной. вклад в тепловые потери плазменного поршня, состоящего из слабо ионизованных паров материала электродов, вносит конденсация насыщенного пара на поверхности электродов, при этом результирующий к.п.д. ускорения макротела не превышает нескольких-процентов.

Большая протяженность поршня и наличие ЭДС вследствие движения проводящего поршня в магнитном поле-обусловливают возникновение вторичных■ пробоев, или расслоение поршня. В данном случае долина развиваться перегревно-ионизационная неустойчивость, которая обусловлена сильной зависимостью проводимости плазмы от температуры в области малых степеней ионизации, характерных для плазменного поршня, состоящего из насыщенного пара металла. Расчеты с учетом конструктивных параметров РЭДУ HIVAX показали, что при скорости плазменного поршня 2 км/с пространственный период дуг 1х должен составлять примерно 0,1 м. Полученный., результат близок к экспериментальным данным для установки HIVAX. Поскольку

1т обратно пропорционален скорости движения поршня, то это означает, что при фиксированной длине поршня с увеличением его ско-. рости растет число дуг. Каждая дуга захватывает эродирующий материал с поверхности электродов и ответвляет часть тока,, питающего ускоритель. Это- приводит на практике к тому, что достигнув некоторого предела, скорость тела не увеличивается.

Таким образом, именно процессы эрозионного разрушения электродов определяют режим работы ускорителя макротел, а полученные результаты могут быть использованы при проектировании установок данного типа.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ ..

1. Разработаны методики и сконструированы экспериментальные установки для исследования закономерностей эрозионного воздействия сильноточного импульсного разряда на электроды, , изготовленные из различных металлов.

2. В результате экспериментального исследования определены . закономерности перехода через порог эрозионного разрушения электродов. При достижении порога эрозионного разрушения происходит смена ведущего механизма эрозии. До начала интенсивной эрозии основной вклад дает взрывное разрушение материала электродов в пятнах привязки микродуг. : В режиме интенсивного эрозионного раз-! рушения наблюдается оплавление поверхности электрода , гидродинамический капельный унос с поверхности пленки расплава," насыщение '' плазмы разряда парами материала электродов, увеличение плотности : и давления плазмы.* " : , '

3. Разработаны теоретические модели контракции тока разряда ■ ' в объеме плазмы и на границе плазма/поверхность электрода, Глав- .. ной причиной контракции является перегревно-ионизационная неустойчивость плазмы в области малой степени ионизации плазмы.

4. Теоретически описана й экспериментальноподтверждена модель теплового разрушения материала, электродов в пятнах контракции тока микродуг. Близость подученных, значений удельной (нормированной на единицу заряда) эрозии с величиной . фарадеевского электропереноса свидетельствует о том, что эрозия в микропятнах является поставщиком ллазмообразувдего материала, необходимого

для поддержания ' состава среды, по которой течет ток разряда. С' этой точки зрения эрозия в микропятнах является нижним пределом эрозионного разрушения электродов в разряде.

5. Предложена теоретическая модель тепломассопереноса на границе электрода и турбулентного потока высокотемпературного на' сыщенного пара металла о учетом конденсации -пара в присутствии

неконденсирующейся примеси.

6. На основе проведенного теоретического и*экспериментально-" го исследования построена теплофизическая модель массолереноса в плазменном поршне рельсового электродинамического ускорителя макротел. Согласно данной модели насыщение плазмы разряда в рельсот-роне паром. материала : электродов происходит вследствие процессов гидродинамической эрозии электродов в канале рельсотрона. Показано, что имеющиеся в литературе данные о работе рельсотрона модно Объяснить nà основе представлений о плазменном поршне с насыщенным паром материала электродов... :

7. Выполнена оценка термического к.п.д. преобразования энергии, подводимой к рельсотрону. в работу ускорения макротела. Результаты расчета показывают, . что полезный эффект ускорения не превышает нескольких процентов. Кроме того, образование вторичных дуг в канале ускорителя вследствие развития термической неустойчивости . накладывает ограничение на максимально достижимую скорость макротела. •

8. Результаты работы могут использоваться при проектировании электродных систем газоразрядных устройств , а также устройств, элементы которых подвержены воздействию плазмы сильноточного газового разряда.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ:

1. Алексеев C.B. Изучение взаимодействия импульсной плазменной струи с поверхностью металлов. - В сб.: Теплофизика и ядерно-энергетические установки. М: Энергоатомиэдат,' 1989, с.143-146.

2. Алексеев C.B., Кокорев Л.С. Механизмы эрозии на поверхности электрода в сильноточном разряде. - В сб.: Теплофизика и ядерно-энергетические установки. М: Энергоатомиэдат, 1989, с.146-151.'

3. Алексеев С.В., Кокорев Л.С. Тепловая неустойчивость плазмы в электрическом поле. - В сб.: Проблемы теплофизики в ядерной технике. М: Энергоатомиздат, 1991, с.31-34.

4. Алексеев С.В., Кисилев А .В., Кокорев Л.С. Тепловая неус- . тойчивость распределения плотности тока на поверхности электрода

в электрическом разряде. - В сб.: Проблемы теплофизики в ядерной технике. М: Энергоатомиздат, 1991, с.35-40.

5. The high heat loads testing of PFC .In BPD facility at a positive and negative biasing. S.V.Alekseev, V.M.Baranov, Yu.V.ChernyatJev, S.K.Dimitrov, V.V.Kharitonov, V.A.Kurnaev, V.V.Teryaev, S.V.Turkulets, I.V.Vizgalov, V.L.Komarov, R.N.Ginia-tulin, Yu.G.Prokofjev, J. Nucl. Mater. 220-222 (19S5), p.?21-?25.

Подписано к печатн-^.^Йаказ '/{'f

Tnpas 7u' ^

Типография Ш&И, Каширское шоссе ,31