авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Численное моделирование нестационарных процессов в слаботочных газовых разрядах

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Каральник Владимир Борисович

Численное моделирование нестационарных процессов в слаботочных газовых разрядах

01.04.08 – физика плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Троицк – 2007

Работа выполнена в Государственном научном центре Российской Федерации Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований

(ГНЦ РФ ТРИНИТИ).

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Акишев Ю.С.

ГНЦ РФ ТРИНИТИ

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

профессор Александров Н.Л.

доктор физико-математических наук

Амиров Р.Х.

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт

ядерной физики имени Д.В. Скобельцына

Московский Государственный Университет им. М.В. Ломоносова.

Защита состоится « » 2007 года в часов на заседании диссертационного совета ДС 201.004.01 при ГНЦ РФ ТРИНИТИ по адресу: 142190, г. Троицк, Московская область, тел. (495) 334-57-03, 51-88-37.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ РФ ТРИНИТИ.

Автореферат разослан « » 2007 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета ДС 201.004.01

кандидат физико-математических наук Казаков С.А.

Актуальность темы. Многие современные технологии основаны на использовании неравновесной низкотемпературной плазмы. Такая плазма может создаваться слаботочными разрядами при атмосферном давлении, например, коронным, барьерным или тлеющим разрядом. Эффект от применения плазмы, как правило, определяется концентрацией созданных ею активных частиц, которая, в свою очередь, зависит от уровня энерговклада в плазму, связанного с мощностью разряда. При этом фактором, ограничивающем мощность слаботочного разряда, является переход разряда в сильноточные режимы, например в искру. Данное обстоятельство определяет важность и актуальность изучения указанных выше разрядов и процессов, определяющих переход разряда из одного токового режима в другой.

Целью диссертации является разработка математических моделей, описывающих:

а) пульсирующие режимы коронного и барьерного разрядов в электроположительном газе;

б) процессы, определяющие возникновение и распространение одиночного стримера в условиях невыполнения критерия Мика - Ретера на примере стационарной положительной короны;

в) формирование слаботочной искры в коронном разряде при наличии во внешней цепи большого балластного сопротивления.

Научная новизна диссертационной работы:

  1. Впервые продемонстрирован автоколебательный режим отрицательной короны в электроположительном газе. Сформулирована упрощенная математическая модель катодного слоя, поддерживаемого ионизационными лавинными процессами с участием электронов. Модель использована для расчетов пульсирующего режима отрицательной короны в азоте и барьерного разряда в гелии. На основании расчетов установлена физическая природа токовых пульсаций, обусловленных отрицательностью дифференциального сопротивления катодного слоя. Впервые экспериментально и в расчетах получен многопичковый режим токовых пульсаций в барьерном разряде.
  2. Разработана 1.5-мерная модель распространения стримера в положительной короне в направлении от острия к плоскости. С использованием данной модели исследовались условия, обеспечивающие развитие положительного стримера при напряжениях, при которых исходный коэффициент размножения электронных лавин в промежутке меньше требуемого по критерию Мика - Ретера.
  3. Создана математическая модель развития искрового канала в коротком коротком промежутке, предионизованном отрицательной короной. При сильном ограничении тока балластным сопротивлением развитие искры возможно только за счет зарядки малой паразитной емкости, шунтирующей балластное сопротивление во внешней цепи. При этом искра слабая и существует очень короткое время. Показано, что быстрое нарастание тока в слабой искре сопровождается сжатием ее токового канала, но не с газодинамическим расширением канала, характерным для сильной и длительной искры. Расчеты предсказывают сильную неравновесность плазмы в слабой искре при высокой температуре газа, что обусловлено очень коротким временем существования искры.

Научная и практическая ценность работы.



Проведенные исследования относятся к ключевым стадиям эволюции коронного разряда с ростом тока - пульсирующей слаботочной короне, стримерной короне, искре. Определена роль элементарных процессов на каждой из этих стадий. Полученные данные раскрывают физические механизмы нестационарности каждой из стадий и могут быть использованы на практике для выбора оптимальных режимов газового разряда в плазмохимических генераторах.

  1. Расчетами показано, что в пульсирующем режиме отрицательной короны в электроположительном газе как усредненная, так и динамическая вольт-амперные характеристики тлеющего катодного слоя короны имеют отрицательный наклон. Именно это обстоятельство является ключевым, определяющим возможность возникновения в слаботочном разряде пульсирующего режима при постоянном напряжении источника. Расчет показал также, что уменьшение степени поднормальности тлеющего катодного слоя (например, уменьшением площади катодного пятна) или включение в нем дополнительных механизмов ионизации (например, ступенчатой ионизации) резко уменьшает (или устраняет) отрицательный наклон усредненной и динамической ВАХ и приводит к стабилизации тока разряда.
  2. Исследован пульсирующий режим поперечно-однородного барьерного разряда в электроположительном газе (He) при небольших величинах Pd<<500 ТорЧмм. Установлено, что при таких условиях в каждом полупериоде вблизи соответствующего электрода формируется поднормальный катодный слой, который имеет отрицательное дифференциальное сопротивление. Именно это обстоятельство является главной причиной токовых пульсаций поперечно-однородного барьерного разряда. В таком случае, пульсации тока в барьерном разряде по своей природе близки к пульсациям тока в отрицательной короне в воздухе, известным как импульсы Тричела.
  3. Численными расчетами показано, что в условиях стационарной диффузной короны, в которой коэффициент размножения электронных лавин меньше значения, постулируемого Миком и Ретером для стримерного пробоя, стримеры, тем не менее, могут возникнуть. Стримеры индуцируются на положительном острие токовыми пятнами, обусловленными развитием ионизационных неустойчивостей в анодной области разряда. Возникновение высокопроводящего токового пятна на аноде приводит к резкому уменьшению напряжения на анодном слое, в результате чего резко усиливается поле перед пятном. Возникшая область с повышенным полем аналогична стримерной головке, в которой выполняется критерий Мика – Ретера, и потому становится возможным распространение стримера.
  4. Выполнено численное исследование формирования искры в промежутках сантиметрового диапазона в условиях, типичных для используемых на практике устройств, использующих коронный разряд. Поэтому полученные результаты представляют большой интерес для многих областей науки и практики.

Автор выносит на защиту следующие основные положения:

  1. В пульсирующем режиме отрицательной диффузной короны в азоте как усредненная, так и динамическая вольт-амперные характеристики тлеющего катодного слоя имеют отрицательный наклон. Это обстоятельство является ключевым, определяющим возможность возникновения токовых пульсаций в указанном разряде. Уменьшение степени поднормальности тлеющего катодного слоя (например, уменьшением площади катодного пятна) или включение в нем дополнительных механизмов ионизации (например, ступенчатой ионизации) резко уменьшает (или устраняет) отрицательный наклон усредненной и динамической ВАХ и приводит к устранению токовых пульсаций.
  2. Впервые получен многопичковый режим пульсаций тока барьерного разряда при небольших величинах Pd<<500 ТорЧмм. Физической причиной пульсаций является отрицательность дифференциального сопротивления поднормального катодного слоя, устанавливающегося в каждом полупериоде вблизи соответствующего электрода. Пульсации тока в барьерном разряде по своей природе близки к пульсациям тока отрицательной короне в воздухе (импульсы Тричела).
  3. В стационарной положительной короне, в которой коэффициент размножения электронных лавин меньше значения, постулируемого Миком и Ретером для стримерного пробоя, стримеры индуцируются высокопроводящими токовыми пятнами на острие, обусловленными развитием ионизационных неустойчивостей в анодной области разряда.
    Инициирование стримеров происходит в результате перераспределения электрического поля и его усиления в области перед токовыми пятнами.
  4. Быстрое развитие искры в короне, стабилизированной большим балластным сопротивлением, контролируется зарядкой паразитной емкости, шунтирующей балластное сопротивление. На стадии резкого нарастания тока происходит сжатие токового канала искры при практически неизменной плотности газа в канале. При этом определяющая роль в зарядовой кинетике в искровом канале принадлежит возбужденным частицам, обеспечивающим ступенчатую и ассоциативную ионизацию. Очень короткое время существования искры (100 нс) обуславливает наличие в ней неравновесной плазмы при высокой температуре газа.

Апробация результатов работы.

Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались на следующих научных конференциях:

  • International Conference on Phenomena in Ionized Gases ICPIG XXIV (Warsaw, Poland 1999)
  • X Конференция по физике газового разряда (Рязань 2000);
  • International Symposium on High Pressure Low Temperature Plasma Chemistry, Hakone VIII (Puhajarve, Estonia 2002);
  • International Symposium on High Pressure Low Temperature Plasma Chemistry, Hakone IX (Padova, Italy 2004);
  • Всероссийская конференция по физике низкотемпературной плазмы «ФНТП-2004» (Петрозаводск 2004);
  • The 17th European Conference on Atomic and Molecular Physics of Ionised Gases ESCAMPIG XVII (Constanta, Romania 2004);
  • 4-й Международный симпозиум по теоретической и прикладной плазмохимии ISTAPC-2005 (Иваново 2005);
  • The 18th European Conference on Atomic and Molecular Physics of Ionised Gases ESCAMPIG XVIII (Lecce, Italy 2006).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано более 10 работ, список которых приведен в конце автореферата. Основные результаты диссертации получены автором лично или при его ведущем участии.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Диссертация содержит 136 страниц текста, включая 61 рисунок. Список цитируемой литературы состоит из 88 наименований.

Основное содержание диссертации.

Во введении обоснована актуальность темы исследований, сформулированы цели работы, описана структура и изложено краткое содержание диссертации.

Первая глава посвящена изучению слаботочного режима отрицательной короны в электроположительном газе (азоте).

Регулярные пульсации тока при постоянной величине приложенного напряжения составляют одну из интересных особенностей короны. В случае отрицательной короны в воздухе пульсирующий режим обнаружен Тричелом еще в 1938 году. Пульсирующий режим соответствует начальным токам короны I130 A. В этом режиме основная часть межэлектродного промежутка остается практически темной, а свечение сосредоточено примерно в миллиметровой области вблизи острия. При этом вершина коронирующего острия покрыта широким тлеющим пятном, над которым наблюдается диффузный и сильно расширяющийся к аноду венчик (или корона) сиреневого цвета.

В отличие от короны в воздухе, реализация пульсирующего режима в электроположительных газах (азот, гелий и др.) требует применения определенных экспериментальных приемов, которые не всегда используются в обычной газоразрядной практике. В отрицательной короне в азоте основными носителями тока являются электроны, а не отрицательные ионы, поэтому требуемое напряжение на дрейфовой области для переноса одинакового тока в азоте будет заметно меньше, чем в воздухе. В такой ситуации напряжение на короне в азоте после зажигания оказывается больше, чем необходимо для поддержания тока, и ее ток скачком устанавливается на достаточно высоком уровне Iзаж, определяемом ВАХ короны и нагрузочным сопротивлением внешней цепи (рис. 1). Мы обнаружили, что если после зажигания короны уменьшать приложенное напряжение (маршрут а-в, рис. 1), то корона существует и при токах, меньших Iзаж. Другими словами, для короны в азоте в определенной области параметров характерен гистерезис. В наших экспериментах мы исследовали корону как при токах I>Iзаж, так и при меньших токах. Последнее обстоятельство оказалось решающим для обнаружения пульсирующего режима отрицательной короны в азоте, поскольку при типичных для большинства экспериментов условиях (Р 1 атм, R<10 M, d3 см) регулярные пульсации тока наблюдаются только в гистерезисной области при токах I<Iзаж.





Экспериментальные результаты получены в разряде при малых межэлектродных расстояниях, при которых эффекты геометрического расширения силовых линий несущественны. По этой причине моделирование разряда проводилось в предположении, что его токовое сечение постоянно. Это тем более оправдано, что основные моделируемые процессы происходят в сравнительно тонком катодном слое, размеры которого, как правило, меньше межэлектродного промежутка. Отсутствие геометрических эффектов сводит задачу к моделированию нестационарного одномерного тлеющего разряда в коротком промежутке.

Рис. 1. Качественный вид усредненных во времени ВАХ отрицательных корон в азоте и воздухе.

Мы попытались сформулировать математическую модель, учтя известные особенности продольной структуры и зарядовой кинетики тлеющего разряда при небольших токах, соответствующих отрицательной короне:

  1. Основные части тлеющего разряда –катодный слой, анодный слой и соединяющий их плазменный столб.
  2. Падение потенциала на анодном слое обычно невелико, поэтому можно пренебречь его вкладом в общее напряжение на разряде.
  3. Плазменный столб можно считать однородным по всей его длине.
  4. Вследствие большой подвижности электронов их динамику можно рассматривать в квазистационарном приближении, т.е. пренебречь членом ne/t в уравнении для их концентрации.
  5. В тлеющем катодном слое ступенчатой ионизацией и рекомбинацией зарядов можно пренебречь.

Таким образом, можно полагать, что моделируемый разряд состоит из катодного слоя, поддерживаемого лавинными процессами за счет прямой ионизации газа электронами, и квазинейтрального плазменного столба с однородным полем.

Известно, что в стационарной ситуации положительный объемный заряд в «нормальном» тлеющем катодном слое распределен практически однородно. В таком случае электрическое поле спадает от катода по линейному закону. В нестационарной ситуации толщина слоя может превышать нормальную толщину, а электрические поля при этом могут быть меньше соответствующих нормальных. В такой ситуации положительные ионы не успевают выровнять за счет дрейфа распределение положительного заряда в слое, и распределение поля будет все более отклоняться от линейного.

1.5-мерные расчеты нестационарного катодного слоя в воздухе прямо показывают, что распределение объемного заряда около катода на стадии сжатия слоя неоднородно - вблизи поверхности катода плотность заряда мала, а основная часть объемного заряда сосредоточена в узком слое на некотором расстоянии от катода. В такой ситуации электрическое поле медленно спадает в области малых зарядов и круто падает в области больших зарядов, причем распределение спадающего от катода поля может быть аппроксимировано прямой линией (Рис. 2).

Рис. 2. Качественная картина распределения электрического поля вдоль оси разряда до (1) и после зажигания (2) отрицательной короны в геометрии острие-плоскость.

Область больших полей у катода, соответствующая малой плотности пространственного заряда, дает наибольший вклад как в величину катодного падения потенциала, так и в интенсивность ионизационных процессов в слое. Это дает основание считать длину области больших полей в качестве эффективной толщины катодного слоя. Для оценки размеров этой области воспользуемся идеей, согласно которой толщина катодного слоя dc близка к длине, на которой мощность источника лавинной ионизации (Е(х))je(х) достигает максимума.

В квазистационарном приближении лавинное нарастание потока электронов в области больших полей у катода может быть записано в виде:

, (1)

(2)

где Е(х) –распределение поля в области малых объемных зарядов, формируемое дрейфовым потоком положительных ионов , приходящих на катод; -поле на поверхности катода.

При заданном распределении поля (2) из условия максимума функции (Е(х))je(х) можно получить следующее уравнение для определения эффективной толщины катодного слоя dc:

. (3)

С учетом изложенных особенностей разряда можно сформулировать простую систему формально нуль-мерных дифференциальных уравнений, состоящую из балансных уравнений для компонент полного тока I(t) в четырех сечениях разряда.

Первое уравнение сформулированной системы отражает непрерывность полного тока на левой и правой границах катодного слоя и имеет вид:

(4)

Здесь S –площадь токового пятна на катоде, которая является свободным параметром модели. Эта величина измерялась в эксперименте при визуальных наблюдениях разряда и закладывалась в модель для каждого рассчитываемого варианта. np– концентрация плазмы в плазменном столбе, которая является подгоночным параметром модели.

Уравнение (4) учитывает, что полная скорость изменения заряда в нестационарном катодном слое зависит также и от изменения толщины слоя во времени. Кроме того, использовано соотношение , -параметр, близкий к единице.

Второе уравнение системы отражает непрерывность полного тока на границе катодного слоя с плазменным столбом:

(5)

Здесь Ep –электрическое поле в плазменном столбе.

Третье уравнение выражает равенство полного тока на катоде полному току во внешней цепи:

(6)

(7)

Уравнение (7) следует из баланса напряжений в исследуемой цепи.

Здесь Ep(d-dc) –падение напряжения на плазменном столбе; Ecdc –падение потенциала на катодном слое; d -межэлектродное расстояние; С –емкость конденсатора во внешней цепи; R –балластное сопротивление разряда.

Экспериментальная зависимость коэффициента ионизации в азоте (Е) от напряженности электрического поля аппроксимировалась в виде

,



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.