Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,931

ВЛИЯНИЕ ИНДУКТИВНОСТИ СОЛЕНОИДА ВНЕШНЕЙ ИНДУКЦИОННОЙ СИСТЕМЫ КОАКСИАЛЬНОГО МАГНИТОПЛАЗМЕННОГО УСКОРИТЕЛЯ НА СКОРОСТЬ ПЛАЗМЕННОЙ СТРУИ

Васильева О.В. 1 Будько А.А. 1
1 ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
В работе описывается влияние индуктивности соленоида коаксиального магнитоплазменного ускорителя на вклад кинетической энергии в исходную энергию системы для двух различных моделей ускорителя. Исследование осуществлялось на примере модельных коаксиальных магнитоплазменных ускорителей, соответствующих реально используемым на практике устройствам. Индуктивность индуктора рассчитывалась на основе расчета энергии магнитостатического поля. Определено ее оптимальное значение для двух моделей, при котором величина кинетической энергии достигает максимального значения. Рассчитана минимально допустимая величина индуктивности соленоида внешней индукционной системы, ниже которой проявляются высокочастотные составляющие тока. Показано положительное и отрицательное влияние величины индуктивности индуктора на скорость плазменной струи. Дано представление об относительных вкладах различных видов энергий в формирование процесса и влиянии различных типов диссипации энергии, процессов переноса и трансформаций одного вида энергии в другой. В качестве правильности работы алгоритма проведен расчет баланса энергии рассматриваемой системы.
баланс энергии
кинетическая энергия
индуктивность соленоида
математическое моделирование
эрозия металла
магнитное поле
плазменный жгут
Магнитоплазменный ускоритель
1. Васильева О.В., Исаев Ю.Н., Колчанова В.А. Расчет индуктивности на основе расчета электромагнитного поля // Электромеханические преобразователи энергии: Материалы IV Международной научно-технической конференции. – Томск, 13-16 октября 2009. – Томск: ТПУ, 2009. – С. 381–384.
2. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика Т. 2: Теория поля. – М.: Наука, 1992. – 533 с.
3. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика Т. 1: Механика. – М.: Наука, 1992. – 222 с.
4. Сивков А.А., Герасимов Д.Ю., Цыбина А.С. Электроэрозийная наработка материала в коаксиальном магнитоплазменном ускорителе для нанесения покрытий // Электротехника. – 2005. – № 6. – С. 25–33.
5. Сивков А.А., Исаев Ю.Н., Васильева О.В., Купцов А.М. Математическое моделирование коаксиального магнитоплазменного ускорителя // Известия Томского политехнического университета. – 2010. – т. 317, № 4. – С. 33–41.
6. Сивков А.А., Корольков В.Л., Сайгаш А.С. Нанесение медного покрытия на алюминиевые контактные поверхности с помощью магнитоплазменного ускорителя // Электротехника. – 2003. – № 8. – С. 41–46.

Коаксиальный магнитоплазменный ускоритель является электроэрозийным ускорителем, так как рабочий материал нарабатывается электроэрозийным путем с поверхности ускорительного канала [4, 6]. На рисунках 1, 2 представлены упрощенные модели коаксиальных магнитоплазменных ускорителей (КМПУ). Для описания процессов происходящих в КМПУ представим их как электромеханические устройства, считая, что масса и сопротивление плазмы R постоянны, с емкостью C и напряжением U0. Сгусток представляется как недеформируемая проводящая перемычка, ускоряемая силами магнитного давления собственных токов, протекающих в ускорителях через перемычку.

Методика

Будем считать, что плазменный сгусток локализован и устойчив в процессе ускорения его как единого целого. Индуктивность индуктора L0 рассчитана на основе расчета энергии магнитостатического поля [1, 5]. Индуктивность плазменного жгута записана в виде линейной функции координаты распространения, где погонная индуктивность была рассчитана на основе [2, 3].

Рис. 1. Модель №1 с параметрами: C=30·10-3 Ф, L0=8,764·10-7 Гн, =4,6·10-7 Гн, U0=3кВ

Рис. 2. Модель №2 с параметрами: C=12·10-3 Ф, L0=1,722·10-7 Гн, =4,6·10-7 Гн, U0=3кВ

Экспериментальная часть

Для сравнения двух используемых моделей, приведем значения вклада кинетических энергий Wкин в исходную энергию системы W0 (рис. 3).

 а

 б

Рис. 3. Вклад кинетической энергии в исходную энергию системы в сравнении:

а) модель №1 – Wкин·100% / W0=8,3%; б) модель №2 – Wкин·100% / W0=20,2%

Таким образом, из полученных графиков можно сделать следующий вывод. С увеличением индуктивности индуктора увеличивается поперечная составляющая скорости, что положительно влияет на эрозию металлов и получение ультрадисперсных порошков, уменьшается скорость изменения тока, стабилизируется ток и плазма в ускорительном канале. С уменьшением индуктивности индуктора увеличивается кинетическая энергия системы, тем самым увеличивая скорость плазменного сгустка.

Ниже на рисунке 4 представлено влияние индуктивности индуктора КМПУ на вклад кинетической энергии в исходную энергию системы.

 а

 б

Рис. 4. Влияние индуктивности индуктора КМПУ на вклад кинетической энергии в исходную энергию системы в сравнении, где Wk0= Wкин·100% / W0, L0min=1,05·10-9 Гн:

а) модель №1; б) модель №2

Из рисунка видно, что оптимальное значение индуктивности индуктора для двух моделей КМПУ равно L0=6·10-7 Гн. При этом значении величина кинетической энергии для модели №1 КМПУ достигает максимального значения Wкин=8,86%, а для модели №2 – Wкин=20,89%. Таким образом, для модели №1 оптимальное значение индуктивности индуктора позволит повысить скорость плазменной струи на срезе ускорительного канала с 4,3 км/с до 4,8 км/с, для модели №2 – с 9,5 км/с до 9,93 км/с [5].

Снижение кинетической энергии в диапазоне индуктивности L0=(1,05·10-9 - 6·10-7) Гн обусловлена тем, что при значительном уменьшении индуктивности индуктора увеличивается скорость изменения, неустойчивость плазмы. Высокочастотные составляющие тока проявляются при величине индуктивности меньше минимально допустимого значения L0min=1,05·10-9 Гн. Величина минимальной индуктивности определялась из условия отсутствия высокочастотных составляющих тока при расчете баланса энергии вариационным методом.

На рисунке 5 представлен дисбаланс энергии, при котором проявляются высокочастотные составляющие тока, где: W(t) - общая энергия системы, WC(t) - электрическая энергия конденсатора, WL(t) - магнитная энергия катушки, WR(t) - омическая энергия потерь, Wкин(t) - кинетическая энергия, UЭф(t) - эффективная потенциальная энергия [5].

Рис. 5. Дисбаланс, при котором проявляются высокочастотные составляющие тока W(t) WC(t)+ WL(t)+ WR(t)+ Wкин(t)+UЭф(t)

Ниже приводится таблица сравнения экспериментальных и расчетных данных.

Таблица 1

Сравнение экспериментальных и расчетных данных

Величина

Эксперимент

Теория

Индуктивность L0, Гн

(2-9)·10-7

6·10-7

Скорость , км/с

4,3-9,5

4,8-9,93

Временная длительность

процесса t, мкс

240

250

Таким образом, модель правильно отражает тенденцию изменения процесса.

Рассчитана минимально допустимая величина индуктивности индуктора КМПУ, ниже которой проявляются высокочастотные составляющие тока. Показано положительное и отрицательное влияние величины индуктивности на скорость плазменной струи.

Дано полное представление об относительных вкладах различных видов энергий в формирование процесса и влиянии различных типов диссипации энергии, процессов переноса и трансформаций одного вида энергии в другой.

Результаты

Разработанный алгоритм численно-аналитического моделирования позволяет оптимизировать электромагнитную систему и показать возможность повышения кинетических параметров плазменного течения, скорости плазменной струи в свободном пространстве, скорости закалки при распылении материала за счет изменения величины индуктивности соленоида при прочих равных условиях.

Сравнительные численные эксперименты показали необходимость уменьшить величину индуктивности внешнего соленоида модели №1 и увеличить величину индуктивности модели №2 для повышения скорости плазменной струи на срезе ускорительного канала. Повышение начальной скорости плазменной струи при ее истечении в объем с азотной атмосферой может обеспечить получение нанодисперсного порошка с уменьшенным средним размером частиц.

Рецензенты:

Лукутин Б.В., д.т.н., заведующий кафедрой ЭПП ЭНИН ФГБОУ ВПО «НИ ТПУ», Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск;

Курец В.И., д.т.н., профессор кафедры ЭСиЭ ЭНИН ФГБОУ ВПО «НИ ТПУ», Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск.


Библиографическая ссылка

Васильева О.В., Будько А.А. ВЛИЯНИЕ ИНДУКТИВНОСТИ СОЛЕНОИДА ВНЕШНЕЙ ИНДУКЦИОННОЙ СИСТЕМЫ КОАКСИАЛЬНОГО МАГНИТОПЛАЗМЕННОГО УСКОРИТЕЛЯ НА СКОРОСТЬ ПЛАЗМЕННОЙ СТРУИ // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 1-1.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=17200 (дата обращения: 01.03.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074