О нагреве и ускорении дисперсных частиц импульсной плазмой
Исследован теплообмен между ударно-сжатым слоем импульсной плазмы и частицей никеля размером 60 мкм. Проведен численный анализ характеристик импульсной плазмы, формируемой в плазменно-детонационном ускорителе. Определено влияние различных составляющих теплообмена при нагреве частицы в импульсной пл...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Дата: | 2006 |
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2006
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102692 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | О нагреве и ускорении дисперсных частиц импульсной плазмой / М.Л Жадкевич, Ю.Н. Тюрин, О.В. Колисниченко, В.М. Мазунин // Автоматическая сварка. — 2006. — № 7 (639). — С. 55-57. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-102692 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Жадкевич, М.Л. Тюрин, Ю.Н. Колисниченко, О.В. Мазунин, В.М. 2016-06-12T11:15:26Z 2016-06-12T11:15:26Z 2006 О нагреве и ускорении дисперсных частиц импульсной плазмой / М.Л Жадкевич, Ю.Н. Тюрин, О.В. Колисниченко, В.М. Мазунин // Автоматическая сварка. — 2006. — № 7 (639). — С. 55-57. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102692 621.791.72.03 Исследован теплообмен между ударно-сжатым слоем импульсной плазмы и частицей никеля размером 60 мкм. Проведен численный анализ характеристик импульсной плазмы, формируемой в плазменно-детонационном ускорителе. Определено влияние различных составляющих теплообмена при нагреве частицы в импульсной плазме. Показано влияние радиационного теплообмена на нагрев дискретных частиц и напыляемой поверхности. Heat exchange between the shock-compressed layer of pulse plasma and nickel particle of 60 μm size was studied. Numerical analysis of the characteristics of pulsed plasma formed in the plasma-detonation accelerator has been performed. Influence of various components of heat exchange at particle heating in pulse plasma has been determined. The influence is shown of radiation heat exchange on heating of discrete particles and sprayed surface. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Краткие сообщения О нагреве и ускорении дисперсных частиц импульсной плазмой Heating and acceleration of dispersed particles by pulsed plasma Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
О нагреве и ускорении дисперсных частиц импульсной плазмой |
| spellingShingle |
О нагреве и ускорении дисперсных частиц импульсной плазмой Жадкевич, М.Л. Тюрин, Ю.Н. Колисниченко, О.В. Мазунин, В.М. Краткие сообщения |
| title_short |
О нагреве и ускорении дисперсных частиц импульсной плазмой |
| title_full |
О нагреве и ускорении дисперсных частиц импульсной плазмой |
| title_fullStr |
О нагреве и ускорении дисперсных частиц импульсной плазмой |
| title_full_unstemmed |
О нагреве и ускорении дисперсных частиц импульсной плазмой |
| title_sort |
о нагреве и ускорении дисперсных частиц импульсной плазмой |
| author |
Жадкевич, М.Л. Тюрин, Ю.Н. Колисниченко, О.В. Мазунин, В.М. |
| author_facet |
Жадкевич, М.Л. Тюрин, Ю.Н. Колисниченко, О.В. Мазунин, В.М. |
| topic |
Краткие сообщения |
| topic_facet |
Краткие сообщения |
| publishDate |
2006 |
| language |
Russian |
| container_title |
Автоматическая сварка |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Heating and acceleration of dispersed particles by pulsed plasma |
| description |
Исследован теплообмен между ударно-сжатым слоем импульсной плазмы и частицей никеля размером 60 мкм.
Проведен численный анализ характеристик импульсной плазмы, формируемой в плазменно-детонационном ускорителе. Определено влияние различных составляющих теплообмена при нагреве частицы в импульсной плазме.
Показано влияние радиационного теплообмена на нагрев дискретных частиц и напыляемой поверхности.
Heat exchange between the shock-compressed layer of pulse plasma and nickel particle of 60 μm size was studied.
Numerical analysis of the characteristics of pulsed plasma formed in the plasma-detonation accelerator has been performed.
Influence of various components of heat exchange at particle heating in pulse plasma has been determined. The influence
is shown of radiation heat exchange on heating of discrete particles and sprayed surface.
|
| issn |
0005-111X |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102692 |
| citation_txt |
О нагреве и ускорении дисперсных частиц импульсной плазмой / М.Л Жадкевич, Ю.Н. Тюрин, О.В. Колисниченко, В.М. Мазунин // Автоматическая сварка. — 2006. — № 7 (639). — С. 55-57. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT žadkevičml onagreveiuskoreniidispersnyhčasticimpulʹsnoiplazmoi AT tûrinûn onagreveiuskoreniidispersnyhčasticimpulʹsnoiplazmoi AT kolisničenkoov onagreveiuskoreniidispersnyhčasticimpulʹsnoiplazmoi AT mazuninvm onagreveiuskoreniidispersnyhčasticimpulʹsnoiplazmoi AT žadkevičml heatingandaccelerationofdispersedparticlesbypulsedplasma AT tûrinûn heatingandaccelerationofdispersedparticlesbypulsedplasma AT kolisničenkoov heatingandaccelerationofdispersedparticlesbypulsedplasma AT mazuninvm heatingandaccelerationofdispersedparticlesbypulsedplasma |
| first_indexed |
2025-11-27T03:04:17Z |
| last_indexed |
2025-11-27T03:04:17Z |
| _version_ |
1850795885102891008 |
| fulltext |
УДК 621.791.72.03
О НАГРЕВЕ И УСКОРЕНИИ ДИСПЕРСНЫХ
ЧАСТИЦ ИМПУЛЬСНОЙ ПЛАЗМОЙ
Чл.-кор. НАН Украины М. Л. ЖАДКЕВИЧ, Ю. Н. ТЮРИН, д-р техн. наук, О. В. КОЛИСНИЧЕНКО, канд. техн. наук,
В. М. МАЗУНИН, инж. (Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины)
Исследован теплообмен между ударно-сжатым слоем импульсной плазмы и частицей никеля размером 60 мкм.
Проведен численный анализ характеристик импульсной плазмы, формируемой в плазменно-детонационном уско-
рителе. Определено влияние различных составляющих теплообмена при нагреве частицы в импульсной плазме.
Показано влияние радиационного теплообмена на нагрев дискретных частиц и напыляемой поверхности.
К л ю ч е в ы е с л о в а : плазменно-детонационное напыле-
ние, импульсная плазма, дисперсная частица, теплообмен,
тепловой поток, излучение
Разнообразие технических решений плазменных
ускорителей, большой энергетический диапазон
режимов их работы, регулирование состава рабо-
чей смеси создают широкие возможности для при-
менения подобных устройств в технологических
процессах обработки поверхности и нанесения
покрытий. Одним из примеров их реализации яв-
ляются плазменно-детонационные генераторы [1],
преимущества которых перед дуговыми плазмот-
ронами постоянного тока и детонационно-газовы-
ми установками заключаются в возможности ус-
корения частиц до значительно больших ско-
ростей, при этом плотность и температура им-
пульсной плазмы достаточно высоки для быстрого
нагрева дискретных частиц тугоплавких сплавов
и оксидов.
Для определения температуры частиц необхо-
димо оценить вклад различных составляющих
теплообмена при их нагреве импульсным потоком
плазмы, генерируемой при разряде емкостных на-
копителей энергии по продуктам детонации го-
рючей смеси (C3H8, O2, N2). Такая оценка невоз-
можна без комплексного решения задачи об оп-
ределении тепловых и газодинамических харак-
теристик сверхзвукового потока плазмы, а также
эффективности передачи энергии поверхности на-
пыляемой частицы.
С помощью математической модели, описан-
ной в работе [2], проведены расчеты характерис-
тик импульсной плазмы, генерируемой плазмен-
но-детонационным ускорителем, со следующими
параметрами электроразрядного контура: индук-
тивность цепи L = 15 мкГн, емкость конденсатор-
ной батареи C = 800 мкФ, напряжение на обклад-
ках конденсатора U = 3,2 кВ. При этом длина ус-
корителя составляла 0,3 м, а зазор между
коаксиальными электродами 8 мм.
В ходе расчетов плазменно-детонационного
ускорителя получены следующие параметры
ударно-сжатого слоя плазмы: скорость 4,6 км/с,
плотность 8,5 кг/м3, давление 23 МПа и темпера-
тура плазмы непосредственно за детонационной
волной 14400 К. Эти результаты коррелируют с
экспериментальными данными по исследованию
энергетических параметров импульсной плазмы,
формируемой плазменно-детонационным ускори-
телем [3].
Предполагается, что передача энергии от им-
пульсной плазмы к дисперсным частицам в ос-
новном осуществляется их ускорением и нагревом
в области ударно-сжатой плазмы, следующей за
ударной волной [4]. Для оценки эффективности
воздействия ударно-сжатой плазмы на дисперс-
ную частицу принимаем следующие допущения:
дистанция изменения параметров течения плазмы
значительно выше диаметра частиц и расстояний
между ними; частицы сферические; материал час-
тиц не вступает в химические реакции с плазмой;
отсутствует диспергирование и столкновение час-
тиц. Ударно-сжатая плазма рассматривается как
сплошная среда, характеризующаяся определен-
ными значениями теплофизических параметров.
Температура, плотность, давление в ударно-сжа-
том слое плазмы постоянны. Длину ударно-сжа-
© М. Л. Жадкевич, Ю. Н. Тюрин, О. В. Колисниченко, В. М. Мазунин, 2006
Изменение температуры частиц, движущихся в ударно-сжатом
слое импульсной плазмы: 1 — Qk; 2 — Qk + Ql
7/2006 55
того слоя плазмы оценивают по методике, при-
веденной в работе [5].
Рассмотрим газодинамическое воздействие по-
тока плазмы на сферическую частицу. Уравнение
движения частицы под действием силы аэроди-
намического сопротивления может быть записано
следующим образом:
mp
dup
dt = ρ0
γ + 1
γ – 1
(ug – up)
2
2 Cd
πdp
2
4 ,
(1)
где mp, up — соответственно масса и скорость
частицы; ρ0 — начальная плотность газа; dp —
диаметр частицы; Cd — коэффициент лобового
сопротивления частицы. Для его определения ис-
пользуем следующую критериальную зависи-
мость [6]:
Cd = 24
Re ⎛⎜
⎝
1 + 3
20 √⎯⎯⎯Re + 11
600 Re⎞⎟
⎠
, (2)
где Re — число Рейнольдса.
Расчеты с помощью приведенной модели пока-
зывают, что при указанных выше параметрах ус-
корителя сферическая частица никеля диаметром
60 мкм за время 4⋅10–5 с ускоряется ударно-сжатой
плазмой до скорости 780 м/с и взаимодействует с
ударно-сжатым слоем на длине 25…35 мм.
Оценим тепловое воздействие ударно-сжатой
плазмы на дисперсную частицу никеля. Для рас-
чета температурного поля в сферической частице,
движущейся в сверхзвуковом потоке плазмы,
можно использовать нестационарное уравнение
теплопроводности:
cp(T)ρp
∂Tp
∂t
= 1
rp
2 ∂
∂rp
⎛
⎜
⎝
rp
2λp(T)
∂Tp
∂rp
⎞
⎟
⎠
, (3)
где Tp(ρp, t) — пространственно-временное расп-
ределение температуры; rp — расстояние до цен-
тра частицы; cp(T), ρp, λ(T) — эффективная теп-
лоемкость, плотность и коэффициент тепло-
проводности материала частицы.
Начальные и граничные условия для уравнения
(3) задаются в виде:
∂Tp
∂rp
|rp = 0 = 0; Tp(rp, 0) = Tp
0; (λp
∂Tp
∂rp
) |rp = dp
⁄ 2 = Q,
где Tp
0 — начальная температура частицы; Q —
тепловой поток в частицу.
Интегрируя уравнение (3) в пределах от 0 до
rp, получаем
mpcp
dT
dt = 4πr2Q. (4)
Для расчета теплового потока в частицу в ус-
ловиях газотермического напыления покрытий,
как правило, используют только конвективную
составляющую теплового потока [7, 8], что до-
пускается при температуре газа ниже 4000 К.
Плазменно-детонационный ускоритель генери-
рует ударно-сжатую плазму, где температура пре-
вышает 8000 К, следовательно, совместно с кон-
вективной необходимо учитывать и радиационную
составляющую теплообмена. Представим тепловой
поток в частицу как сумму двух составляющих:
Q = Qk + Ql, (5)
где Qk — конвективная составляющая теплового
потока в дисперсную частицу, определяется сле-
дующим соотношением:
Qk = α(Tg – Tp), (6)
Ql — радиационная составляющая, рассчитывает-
ся по следующей зависимости:
Ql = ξσ0(Tg
4 – Tp
4). (7)
В уравнениях (6), (7) α — коэффициент теплооб-
мена; Tg, Tp — температура соответственно плаз-
мы и частицы; ξ — усредненная по спектру те-
плового излучения приведенная степень черноты
материала частицы; σ0 — постоянная Стефана–
Больцмана.
Коэффициент теплообмена рассчитывается
следующим образом:
α =
λg(T)Nu
dp
, (8)
где λg(T) — теплопроводность плазмы; Nu — чис-
ло Нуссельта [9]. Коэффициент теплообмена (8)
может быть рассчитан на основе критериальной
зависимости [10]:
Nu = 2exp(– M) + 0,459Re0,55Pr0,33, (9)
где M — число Маха; Pr — число Прандтля [6].
На рисунке приведено изменение температуры
частицы, нагреваемой ударно-сжатой импульсной
плазмой, с учетом радиационной и конвективной
составляющей теплообмена. Расчетные данные
получены в результате численного решения урав-
нения (4) с учетом (5)–(9). Анализ полученных
данных показывает, что при температуре плазмы
выше 8000 К необходимо учитывать радиацион-
ную составляющую теплообмена. Температура
частицы при учете нагрева от конвективного и
радиационного нагрева выше на 10 %. Необходи-
мо отметить, что влияние радиационного тепло-
обмена на нагрев частицы начинается на этапе
формирования плазмы в ускорителе, тогда как
конвективный теплообмен действует только при
прохождении ударно-сжатого слоя через облако
частиц.
56 7/2006
В заключение можно отметить, что сущест-
венную роль в теплообмене импульсной плазмы
с напыляемой частицей играет радиационный
теплообмен. В частности, при напылении нике-
левых частиц диаметром 60 мкм радиационная
составляющая теплообмена увеличивает темпера-
туру частицы более чем на 10 %. При этом время
нахождения частицы в ударно-сжатой плазме сос-
тавляет 4⋅10–5 с, а ее ускорение до скорости
780 м/с происходит на пути длиной 25…35 мм.
1. Ющенко К. А., Борисов Ю. С., Тюрин Ю. Н. Плазменно-де-
тонационные процессы формирования потоков энергии и
их взаимодействие с металлической поверхностью // Фи-
зика и техника плазмы: Сб. науч. тр. — Минск, 1994. —
Т. 2. — С. 284–287.
2. Погребняк А. Д., Тюрин Ю. Н. Модификация свойств ма-
териалов и осаждение покрытий с помощью плазменных
струй // Успехи физ. наук. — 2005. — 175. — С. 520–522.
3. Tyurin Y. N., Pogrebnjak A. D. Advances in the development
of detonation technologies and equipment for coating deposi-
tion // Surface and Coatings Technol. — 2000. — 111. —
С. 269–275.
4. Ускорение микрочастиц в электротермическом ускорите-
ле с мультиразрядной схемой разрядного узла / Э. Я.
Школьников, М. Ю. Гузеев, С. П. Масленников, А. В. Че-
ботарев // Приборы и техника эксперимента. — 2000. —
№ 6. — С. 130–135.
5. Особенности движения токовой оболочки и ударной вол-
ны в импульсном ускорителе высокого давления / В. Ц.
Гурович, Г. А. Десятков, В. Л. Спекторов и др. // Докл. АН
СССР. — 1987. — № 5. — С. 1102–1105.
6. Лебедев А. Д., Урюков Б. А. Импульсные ускорители плаз-
мы высокого давления: Ин-т теплофизики. — Новоси-
бирск, 1990. — 290 с.
7. Зверев А. И., Шаривкер С. Ю., Астахов Е. А. Детонацион-
ное напыление покрытий. — Л.: Судостроение, 1979. —
С. 56–59.
8. Шоршоров М. Х., Харламов Ю. А. Физико-химические ос-
новы детонационно-газового напыления покрытий. — М.:
Наука, 1978. — 224 с.
9. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика: В 10 т.
— М.: Наука, 1986. — Т. 6. — 736 с.
10. Кутушев А. Г., Татосов А. В. Математическое моделиро-
вание выброса газовзвеси из канала ударной трубы под
действием сжатого газа // Физика горения и взрыва. —
1998. — № 3. — С. 107–116.
Heat exchange between the shock-compressed layer of pulse plasma and nickel particle of 60 µm size was studied.
Numerical analysis of the characteristics of pulsed plasma formed in the plasma-detonation accelerator has been performed.
Influence of various components of heat exchange at particle heating in pulse plasma has been determined. The influence
is shown of radiation heat exchange on heating of discrete particles and sprayed surface.
Поступила в редакцию 22.05.2006
УДК 621.791.75.03-58
СХЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРИВОДАМИ
СВАРОЧНЫХ УСТАНОВОК
Ю. Н. ЛАНКИН, д-р техн. наук, Ю. А. МАСАЛОВ, канд. техн. наук, Е. Н. БАЙШТРУК, инж.
(Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины)
Разработана простая схема системы управления двигателями D25...D90 приводов сварочных установок. Описаны
ее статические характеристики и приведены осциллограммы разгона торможения привода.
К л ю ч е в ы е с л о в а : дуговая сварка, электрошлаковая
сварка, сварочные установки, привод, регулирование, ско-
рость подачи проволоки
В регулируемых электроприводах сварочных ус-
тановок широкое распространение получили дви-
гатели постоянного тока. Как правило, это нере-
версивные приводы с диапазоном регулирования
1:10*. Развитие современной элементной базы поз-
воляет создавать простые схемы управления та-
кими приводами с достаточно высокими техни-
ческими характеристиками. Одна из таких схем
приведена на рис. 1.
Для управления скоростью двигателя применен
широтно-импульсный преобразователь (ШИП), вы-
полненный на основе полевого силова транзисто-
ра VT1 и контроллера DA1 (TL494). Частота вклю-
чения транзистора VT1 (10 кГц) задается резис-
© Ю. Н. Ланкин, Ю. А. Масалов, Е. Н. Байштрук, 2006
Рис. 1. Принципиальная схема привода: VD1 — защитный диод;
C2–C4 — фильтрующие емкости; остальные обозначения см. в
тексте
* Автоматизация сварочных процессов / Под ред. В. К. Лебедева,
В. П. Черныша. — Киев: Выща шк., 1986. — 296 с.
7/2006 57
|