Динамика электрического разряда в газообразных средах в присутствии внешнего магнитного поля и диэлектрических стенокНИР

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 11 января 2011 г.-31 декабря 2011 г. Исследование влияния на параметры дуги межэлектродного расстояния, силы тока и длительности разряда. Сопоставление и анализ всех полученных результатов при различных условиях существования свободногорящего диффузионно-дугового разряда.
Результаты этапа: С помощью высокоскоростной регистрации процессов с высокой степенью разрешения в видео – и инфракрасных диапазонах длин волн на графитовых электродах при токах I ~ 90 А÷2 кА обнаружены в воздушной среде режимы протекания тока с отрывом плазменных вихрей («плазмоидов») от дугового столба. В прианодной области разряда выявлено образование локальных неоднородностей, как в виде одиночных плазменных образований повышенной температуры, так и в виде относительно «холодных» газопылевых облаков, перемещающихся от электрода к столбу.
2 1 января 2012 г.-31 декабря 2012 г. Исследование влияния пространственной ориентации электродов на неустойчивость разряда в поле силы тяжести
Результаты этапа: С помощью высокоскоростной регистрации с высокой степенью разрешения (1200÷60000 к/с) в видимом и (500 к/с) в инфракрасном диапазонах длин волн (путем синхронизации и сопоставления данных этих измерений и осциллограмм тока и напряжения) проведено экспериментальное исследование процессов в достаточно протяженных (до 50 мм), специально нестабилизированных, квазистационарных дуговых разрядах в свободной воздушной среде атмосферного давления при токах 90 А - 2 кА, как при горизонтальной, так и вертикальной ориентации стержневых графитовых электродов. Показано, что (без принудительного внешнего воздействия) возможна стабилизация разряда, в частности, за счет перестройки конвективных течений окружающей среды. Наряду с традиционной (шнуровой) формой разряда изучены и иные режимы протекания тока: диффузный (распределенный) и диффузно-шнуровой. Рассмотрены процессы контракции, расслоения и шунтирования. Обнаружены режимы колебаний тока, обусловленные взаимодействием катодной и анодной струй и возникновением потоков плазмы и твердых частиц c локально перегретой поверхности анода. Найдены и изучены режимы разряда с круговым движением опорного анодного пятна по торцевой поверхности электрода. Прослежены треки довольно крупных (до 1 мм) частиц, летящих с поверхности анода в направлении катода, и их взаимодействие с катодной струёй. Получены количественные данные о режимах протекания тока с отрывом плазменных облаков от дугового столба и режимов разряда с формированием локальных прианодных газопылевых и газоплазменных неоднородностей структуры разряда. Показаны некоторые возможности применения ИК диагностики при изучении процессов в дуговых разрядах. Работа выполнена на стенде НИИ механики МГУ «ПЛАЗМА2000», частично - на современном научном оборудовании (высокоскоростные регистраторы изображений) и при техническом содействии фирм ОАО «ПЕРГАМ ИНЖИНИРИГ» и ООО «Камера Ай-Кью».
3 1 января 2013 г.-31 декабря 2013 г. Исследование процессов, связанных с протеканием электрического тока в пористых электродах, и их влиянием на форму ствола дуги в межэлектродном промежутке
Результаты этапа: Начаты работы по исследованию протекания тока разряда в пористых электродах и фильтрации газов окружающей атмосферы в них. В частности, проведены эксперименты по отработке схемы измерений перераспределения тока при круговом движении опорного анодного пятна по активной поверхности графитового анода. Предложена физико-механическая модель процессов фильтрации газов, теплообмена и перераспределения токов в пористых средах. При нормальных условиях проведены измерения тензора электропроводности в образцах графитовых электродов 3ОПГ. Показано, что анизотропия по электропроводности небольшая (до 20 %) и в первом приближении приемлема изотропная модель. Спроектирована стендовая установка для исследования способов стабилизации и дестабилизации разряда, связанных с наложением внешнего магнитного поля. Поставлена задача анализа устойчивости течений электропроводной сплошной среды, обусловленных джоулевым тепловыделением в наклонном плоском слое в поле силы тяжести. Построено одномерное стационарное фоновое решение. Построены и исследованы вольт-амперные характеристики (ВАХ). В электротехническом приближении проведен анализ устойчивости к одномерным возмущениям. Показано, что при определенных условиях существуют S-образные зависимости плотности тока от напряжения j(U), когда при заданном напряжении возможно три решения с разными плотностями тока. Решение со средней плотностью тока, соответствующее участку ВАХ с отрицательным дифференциальным сопротивлением, неустойчиво. Предложена модель анализа двумерных возмущений на основе уравнений Обербека-Буссинеска и тепловой модели разряда. Разрабатывается алгоритм и программа численного решения спектральной краевой задачи для амплитудных уравнений. Продолжены работы, связанные с изучением структуры, формы дугового ствола и характеристик плазмы разряда для различных материалов электродных узлов. Показаны принципиальные преимущества применения регистраторов изображений в инфракрасном диапазоне длин волн для визуализации процессов в электродах и структуры газоплазменных и газопылевых потоков, связанных с разрядом. В ИК диапазоне форма дуги оказывается лучше выраженной из-за отсутствия засветки излучением дуговой плазмы, проявляющейся при регистрации в видимом диапазоне длин волн. ИК изображения могут использоваться для своевременного выявления зон локального нагрева, диагностики теплового поля и уточнения теплофизических характеристик материала электрода. Работа выполнена на стенде НИИ механики МГУ «ПЛАЗМА2000» с использованием высокоскоростных регистраторов изображений, при техническом содействии фирм ОАО «ПЕРГАМ ИНЖИНИРИГ» и ООО «Камера Ай-Кью», «СЕДАТЭК».
4 1 января 2014 г.-31 декабря 2014 г. Продолжение исследования процессов, связанных с протеканием электрического тока в пористых электродах и их влиянием на форму ствола дуги в межэлектродном промежутке. Изучение влияния внешнего магнитного поля на устойчивость дугового разряда
Результаты этапа: Продолжены работы по исследованию процессов протекания тока разряда в пористых электродах и фильтрации газов окружающей атмосферы в них. В частности, отлажена схема измерений перераспределения тока при движении опорных анодных пятен по поверхности графитового анода. Предложен численный алгоритм для расчета процессов фильтрации газов, теплообмена и перераспределения токов в пористых средах. Экспериментально изучены режимы перераспределения тока в разделенных надвое пористых анодах, позволившие уточнить оценки доли диффузной составляющей тока ( 0.5) в воздушных дугах, полученные ранее в работе: Герман В.О., Ершов А.П., Козлов П.В., Любимов Г.А., Сурконт О.С. «Экспериментальное исследование распределения концентрации заряженных частиц в межэлектродном пространстве свободногорящей атмосферной дуги» // Изв. РАН. МЖГ. 2009. №1. С. 142-152. В результате, относительные токи в составляющих частях электрода ~ 0.5  0.15, а доля диффузной составляющей тока 0.35-0.65. Построена по проекту В.О. Германа установка для исследования способов стабилизации и дестабилизации разряда, связанных с наложением внешнего магнитного поля. Проведены работы, связанные с изучением структуры, формы дугового ствола и характеристик плазмы разряда во внешнем магнитном поле. Определены условия, как стабилизирующего, так и дестабилизирующего воздействия внешнего магнитного поля на разряд. Показано, что при наложении стабилизирующего магнитного поля: - возможно прекращение хаотического перемещения анодного пятна по поверхности электрода, и анодная струя (в течение длительных промежутков ~ 20 мc) устанавливается строго по центральной оси между электродам. - катодная струя, которая в обычных условиях очень стабильна и доминирует в разрядном промежутке, при этом деградирует и даже может поглощаться анодным потоком. - стабилизация анодной струи приводит также к заметному увеличению тока разряда и соответствующему падению напряжения на разряде. По проекту В.О. Германа создан стенд для исследования процессов формирования и движения электрических дуг в средах с повышенным давлением (0.1-0.5 МПа). Проведены пробные эксперименты в воздушной среде при умеренных давлениях и токах (до 0.3 МПа и 300 А), показавшие работоспособность установки.
5 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. Продолжение исследования процессов, связанных с протеканием электрического тока в пористых электродах, и их влиянием на форму ствола дуги в межэлектродном промежутке. Продолжение изучения влияния внешнего магнитного поля на устойчивость дугового разряда. Сранительный анализ различных способов образования, инжекции и последующего движения плазменных сгустков в плотных газовых средах.
Результаты этапа: Продолжены работы по исследованию процессов протекания тока разряда в пористых электродах и фильтрации газов окружающей атмосферы в них. Проведено уточнение теоретических моделей и алгоритмов с учетом сжимаемости газовой среды. Проводится разработка программ для расчета процессов фильтрации газов, теплообмена и перераспределения токов в пористых средах. Экспериментально изучены режимы перераспределения тока в разделенных надвое пористых (3ОПГ) анодах, позволившие уточнить оценку тока через оптически видимый канал разряда, полученную ранее. Проведено сопоставление разрядного тока и токов в составляющих частях анода с синхронным просмотром видеоизображений, дающих информацию о месте расположения опорного пятна. По проекту В.О. Германа модернизирована установка для исследования способов стабилизации и дестабилизации разряда, связанных с наложением внешнего магнитного поля: - оптимизирована конструкция графитовых (3ОПГ) электродов с целью стабилизации привязки и упорядочения движения анодных пятен - изменена конструкция блока подвода тока в электроды для обеспечения его более равномерного распределения - новая конструкция позволяет проводить эксперименты не только в свободной атмосфере, но и в замкнутом объеме вплоть до давлений порядка 5 атм - обеспечена принципиальная возможность изменения расстояния между осями стержней, создающих вокруг себя (протекающими по ним токами) магнитное поле, и осью разряда между электродами. Конструкция 6 - стержневой магнитной системы этой установки испытана в условиях разряда в её безтоковом режиме и не выявила негативных воздействий на дугу и электроды в штатных режимах эксплуатации (при умеренных межэлектродных расстояниях порядка 30 - 40 мм). Намечены пути к реализации на установке П2000 регистрации 3D картины магнитных полей с помощью 3-мерного малого (диаметром порядка 3 мм) датчика Холла. Для визуализации процессов в разряде отрабатываются подходы к получению качественных 3-мерных проекций его видеоизображений. Изготовлены пилотные образцы установок для инициирования движущихся дуговых разрядов: инжектор рельсового типа и плазмотрон с разрядом в анодной полости; проведены пробные экспериментальные исследования: - полученные первые данные о возможности стабильного формирования направленно движущихся плазменных сгустков и протяженных (до 100 мм) плазменных струй при умеренных (порядка сотен ампер) рабочих токах - на основе полученных экспериментальных данных проведено сопоставление различных способов образования, инжекции и последующего движения плазменных сгустков в воздушной атмосфере; показано, что внешнее магнитное поле может стабилизировать движущуюся рельсотронную дугу, и позволяет существенно увеличить ее скорость.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".