Влияние параметров разрядного контура плазменно- детонационной установки на газодинамические характеристики импульсных плазменных потоков
Предложена физико-математическая модель ускорения детонационной волны и проведены расчеты газодинамических характеристик плазменных струй, генерируемых плазменно-детонационной установкой. Проанализировано влияние электрических параметров разрядного контура на температуру и скорость плазмы за детон...
Saved in:
| Published in: | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Date: | 2006 |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2006
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102767 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Влияние параметров разрядного контура плазменно- детонационной установки на газодинамические характеристики импульсных плазменных потоков / М.Л. Жадкевич, Ю.Н. Тюрин, О.В. Колисниченко, В.М. Мазунин // Автоматическая сварка. — 2006. — № 8 (640). — С. 42-45. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859978019605577728 |
|---|---|
| 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. |
| citation_txt | Влияние параметров разрядного контура плазменно- детонационной установки на газодинамические характеристики импульсных плазменных потоков / М.Л. Жадкевич, Ю.Н. Тюрин, О.В. Колисниченко, В.М. Мазунин // Автоматическая сварка. — 2006. — № 8 (640). — С. 42-45. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Автоматическая сварка |
| description | Предложена физико-математическая модель ускорения детонационной волны и проведены расчеты газодинамических
характеристик плазменных струй, генерируемых плазменно-детонационной установкой. Проанализировано влияние
электрических параметров разрядного контура на температуру и скорость плазмы за детонационной волной. Установлено, что уменьшение индуктивности приводит к значительному росту указанных характеристик плазмы.
A physico-mathematical model of a detonation wave acceleration is proposed, and calculations of gas-dynamic characteristics
of plasma jets generated by a plasma-detonation unit have been performed. Influence of electrical parameters of the
discharge circuit on the temperature and velocity of the plasma behind the detonation wave has been analyzed. It is
established that decrease of the induction leads to a considerable increase of the above plasma characteristics.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:24:51Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 621.791.947.2.03:621.375.826
ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАЗРЯДНОГО КОНТУРА
ПЛАЗМЕННО-ДЕТОНАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ
НА ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ИМПУЛЬСНЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ПОТОКОВ
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)
Предложена физико-математическая модель ускорения детонационной волны и проведены расчеты газодинамических
характеристик плазменных струй, генерируемых плазменно-детонационной установкой. Проанализировано влияние
электрических параметров разрядного контура на температуру и скорость плазмы за детонационной волной. Ус-
тановлено, что уменьшение индуктивности приводит к значительному росту указанных характеристик плазмы.
К л ю ч е в ы е с л о в а : импульсно-плазменный поток, амп-
литудно-временные характеристики, плазма, параметры
электрической цепи
Одним из основных путей решения задачи, свя-
занной с увеличением срока службы деталей ма-
шин или их восстановлением, является разработка
и применение технологий химико-термической
обработки и газотермического напыления повер-
хностей изделий, использующих концентрирован-
ные источники энергии. С этой целью широко
применяют способы непрерывной обработки и на-
пыления — газопламенный, дуговой, плазменный.
В последнее время особое внимание уделяется
разработкам импульсно-плазменных технологий с
применением импульсно-плазменных установок
для получения высокоэнтальпийных потоков
плазмы как при обработке поверхности твердых
тел, так и нанесении функциональных покрытий.
В рассматриваемом в настоящей работе им-
пульсном плазменном генераторе используется
детонация горючей газовой смеси (C3Н8, О2, воз-
дух) для создания условий электрического пробоя.
Ускорение плазмы в генераторе происходит за
счет комплексного воздействия газодинамических
и электромагнитных сил.
После осуществления режима детонационного
сгорания горючей газовой смеси детонационная
волна проходит по кольцевому зазору канала им-
пульсной детонационной установки, образован-
ной двумя коаксиальными электродами, между
которыми создана разность потенциалов. Прин-
ципиальная схема генератора представлена на
рис. 1. За детонационной волной по продуктам
детонации протекает электрический ток, при этом
выделяется дополнительное тепло. В результате
развития разряда за детонационной волной сле-
дует ударно-сжатая плазма, нагретая импульсным
разрядом. Для регистрации импульсного напря-
жения и тока между коаксиальными электродами
(рис. 2) применяли делитель напряжения и пояс
Роговского с интегрирующим звеном [1]. В ка-
честве прибора, регистрирующего указанные па-
раметры, использовали двулучевой запоминаю-
щий осциллограф С8-17. Основная часть заряда
конденсаторов расходуется на нагрев и ионизацию
продуктов детонации и дальнейшее ускорение об-
разовавшейся ударно-сжатой области плазмы. За-
тухающий колебательный процесс проходит по
ионизированным продуктам детонации до тех пор,
© М. Л. Жадкевич, Ю. Н. Тюрин, О. В. Колисниченко, В. М. Мазунин, 2006
Рис. 1. Схема генератора импульсной плазмы: R, L, C —
соответственно сопротивление, индуктивность и емкость раз-
рядного контура; B — индукция магнитного поля, I, F —
соответственно ток и сила магнитно-газодинамического уско-
рения, создаваемые при разряде емкостного накопителя
энергии
42 8/2006
пока весь прореагировавший газ не покинет меж-
электродный объем плазменного генератора. По
кривым затухания экспериментально определено,
что сопротивление межэлектродного промежутка
изменяется в пределах 0,04…0,10 Ом.
С целью оптимизации импульсно-плазменной
технологии и определения влияния геометрии ко-
аксиального ускорителя и электрических парамет-
ров разрядной цепи разработана расчетная модель
ускорения детонационной волны в детонационной
импульсно-плазменной установке, а также опре-
делены параметры плазмы.
При составлении методики учитывалось, что
в ускорителях высокого давления одну из основ-
ных ролей в ускорении рабочего газа играют не
только силы электромагнитного взаимодействия,
но и термодинамические процессы преобразова-
ния джоулевой теплоты в кинетическую энергию.
Если при давлении ниже атмосферного для рас-
чета динамики плотной плазмы достаточно учи-
тывать только магнитное давление (используется
при расчете устройств типа плазменного фокуса
[2]), то при высоком давлении важным механиз-
мом, способствующим ускорению плазмы, явля-
ется омический нагрев токового слоя [3], при этом
необходимо рассматривать весь межэлектродный
объем плазменного генератора, пройденный фрон-
том разряда.
Для получения приближенного решения, учи-
тывающего указанные основные физические ме-
ханизмы и пригодного для инженерных расчетов,
приняты следующие упрощения.
1. Энергия за детонационной волной, потреб-
ляемая на диссоциацию молекул и ионизацию,
пренебрежимо мала по сравнению с энергией
электромагнитного поля и химической энергией,
высвобождающейся при прохождении детона-
ционной волны.
2. За детонационной волной проводимость
плазмы носит электронный характер и определя-
ется по формуле Фроста [4], являющейся прос-
тейшей интерполяцией между лоренцевской и
спитцеровской асимптотиками:
σ =
nee
2
3kT
ve
2
(vei
⁄ γs) + vea
, (1)
где ne — концентрация электронов; e — заряд
электрона; k — постоянная Больцмана; T — тем-
пература термически равновесной плазмы; ve —
тепловая скорость электрона; γs = 0,582 — спит-
церовский множитель для однократно ионизован-
ной плазмы [5]; vei, vea — частота столкновения
электронов соответственно с ионами и атомами,
определяемая через сечения рассеивания [6, 7].
3. Для упрощения задачи использовался гид-
равлический подход, предполагающий осредне-
ние параметров потока в каждом сечении межэ-
лектродного канала. При этом поверхность фронта
детонационной волны будет состоять из отрезков,
расположенных по нормам к электродам. Векторы
плотности электрического тока j и напряженности
поля E перпендикулярны образующей электрода,
а вектор скорости v потока параллелен.
Динамику детонационной волны описывали с
помощью метода Уизема [8], характеризующего
изменение числа Маха детонационной волны Md
в зависимости от пройденного ею расстояния. Для
решения задачи использовали дифференциальное
уравнение, записанное в безразмерном виде для
газодинамических параметров при прохождении
детонационной волны, выраженных через Md [9]:
(1 + √⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯γ
(γ – z)(1 + z)
) (1 + z + √⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯γ(γ – z)(1 + z) ) dz
dξ
=
= k(1 – z)2√⎯⎯⎯⎯1 – z2 – γ(1 – z2) 1A dA
dξ
, (2)
где z = √⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯1 – (Mj
2 ⁄ Md
2) — безразмерная величина;
Mj — число Маха волны Чепмена–Жуге, явля-
ющееся характеристикой горючей смеси и опре-
деляемое количеством тепла, выделяющегося при
сгорании единицы массы исходной смеси;
ξ = l ⁄ lк — безразмерная величина (здесь l — рас-
стояние вдоль образующей до места иницииро-
вания детонационной волны; lк — длина канала
вдоль образующей); k =
σE(t)2(γ – 1)(γ + 1)2lк
γa0p0Mj
3 —
функция, характеризующая протекание тока через
ускоритель; γ — показатель адиабаты продуктов
реакции; a0 — скорость звука в детонирующей
смеси; p0 — начальное давление; A = A(l) — пло-
Рис. 2. Распределение тока I (1) и напряжения U (2) в генера-
торе импульсной плазмы при разряде емкостного накопителя
энергии: C = 800 мкФ; U = 2800 В; L = 30 мкГн
8/2006 43
щадь перпендикулярного сечения кольцевого за-
зора по оси l.
Для решения дифференциального уравнения
(2) применялся численный метод Кутта–Мерсона.
Зависимость E(t) рассчитывали с использованием
экспериментальных данных. Начальному условию
соответствует z(0) = 0. По известному значению
z(ξ) скорость детонационной волны и газодина-
мические параметры ударно-сжатой области оп-
ределяются по следующим формулам:
скорость детонационной волны
D =
a0Mj
√⎯⎯⎯⎯1 – z2 ;
плотность продуктов детонации непосредс-
твенно за ударной волной
ρ = ρ0
γ + 1
γ – z
;
осредненное значение скорости газа за дето-
национной волной в направлении оси l
v =
Mja0
γ + 1
√⎯⎯⎯1 + z
1 – z ;
давление продуктов детонации непосредствен-
но за детонационной волной
p =
γp0Mj
2
(γ + 1)(1 – z)
;
скорость звука в продуктах детонации непос-
редственно за детонационной волной
a =
Mja0
γ + 1
√⎯⎯⎯⎯⎯⎯γ(γ – z)
(1 – z)
.
С помощью представленной математической
модели проведены расчеты характеристик свер-
хзвукового потока, формируемого в плазменно-
детонационной установке в зависимости от элек-
трических параметров цепи разряда.
На основе анализа полученных расчетных кри-
вых (рис. 3) можно сделать вывод, что основное
влияние на нагрев и ускорение ионизированных
продуктов сгорания при рассматриваемых электри-
ческих параметрах оказывает индуктивность элек-
трической цепи разряда. Возрастание вкладываемой
энергии в импульс за счет изменения модификации
напряжения и емкости конденсаторных батарей поз-
воляет увеличить длительность процесса моди-
фикации поверхности изделия. Увеличение же ин-
дуктивности электрической цепи разряда при не-
изменных емкости и напряжении существенно сни-
жает значения параметров плазмы (скорости, тем-
пературы) на выходе из плазменного генератора.
Как показала практика, использование рас-
сматриваемого импульсного плазменно-детона-
ционного генератора при низкой (менее 10 мкГн)
индуктивности цепи разряда приводит к умень-
шению ресурса работы коаксиальных электродов
по причине значительного (свыше 25 кА) увели-
чения тока пробоя межэлектродного промежутка.
При этом температура плазмы (рис. 3, а) достигает
20000 К и выше. В случае применения плазменного
генератора с целью создания импульсных плазмен-
ных струй для нагрева и ускорения порошков с пос-
ледующим формированием функциональных покры-
тий целесообразно использовать следующие элект-
рические параметры: U = 3000…3500 В; C =
= 800…1000 мкФ; L = 15 мкГн. При этом темпе-
ратура плазмы не превышает 12000 К, а ее ско-
рость достигает 4500 м/c, что является достаточ-
ным для нагрева и ускорения порошка. Значения
электрических параметров зависят от фракции на-
пыляемого порошка и теплофизических свойств
его материала.
Эффективно использование плазменно-детона-
ционных генераторов для химико-термической
Рис. 3. Изменение температуры (а) и скорости (б) плазмы за
детонационной волной по мере прохождения межэлектродно-
го промежутка: 1 — U = 2800 В; C = 1000 мкФ; L — 30 мкГн;
2 — 3500 В; 1000 мкФ; 30 мкГн; 3 — 3200 В; 800 мкФ;
15 мкГн; 4 — 3200 В; 1000 мкФ; 15 мкГн; 5 — 3200 В;
800 мкФ; 7,5 мкГн; 6 — 3500 В; 800 мкФ; 7,5 мкГн
44 8/2006
обработки поверхности инструментов и деталей
машин [10]. В процессе воздействия высокоин-
тенсивным тепловым потоком, создаваемым плаз-
менным генератором, происходит нагрев поверх-
ности с последующим охлаждением путем отвода
тепла как в окружающую среду, так и в материал.
В результате этого в поверхностном слое проис-
ходят фазовые превращения. На свойства термо-
упрочненного слоя (толщину, фазовый состав,
физико-механические характеристики) в первую
очередь влияют энергия теплового потока и дли-
тельность его воздействия. Длительность тепло-
вого потока при импульсно-плазменной обработке
регулируется индуктивностью электрической цепи
разряда (L = 25…50 мкГн) и составляет 0,5…0,8 мс.
Значения энергии теплового потока q =
= 4⋅104…1,5⋅105 Вт/см2, зависящие от температуры
и скорости плазменной струи, подбирают в
соответствии с изменением напряжения на обклад-
ках конденсаторной батареи (U = 2800…3500 В) и
ее емкости (C = 800…1200 мкФ). Используемые
режимы позволяют получать на углеродистых ста-
лях упрочненные слои толщиной до 70 мкм. При
этом сохраняется значительный ресурс электродов
плазменного генератора.
Выводы
1. Экспериментально найдено распределение тока
и напряжения в плазменно-детонационном гене-
раторе, работающем в импульсном режиме.
2. Проведен анализ влияния электрических па-
раметров разрядного контура на газодинамичес-
кие характеристики плазмы непосредственно за
детонационной волной.
3. С использованием экспериментальных дан-
ных и теоретических положений разработана рас-
четная модель, позволяющая оценить параметры
плазмы, необходимые как для расчета нагрева и
ускорения порошков в плазменно-детонационном
устройстве в случае нанесения покрытий, так и
для определения тепловых потоков в изделие при
реализации технологии импульсно-плазменного
упрочнения поверхности инструмента и деталей
машин.
1. Андельфингер К. Методы исследования быстропротека-
ющих процессов в физике плазмы // Физика быстропро-
текающих процессов в физике плазмы. — М.: Мир, 1971.
— 360 с.
2. Вихрев В. В., Брагинский С. И. Вопросы теории плазмы.
— М.: Атомиздат, 1980. — Вып. 10. — 318 с.
3. Гурович В.Ц., Десятков Г. А., Спектров В. Л. Особеннос-
ти движения токовой оболочки и ударной волны в им-
пульсном ускорителе высокого давления // Докл. АН
СССР. — 1987. — 293, № 5. — С. 1102–1105.
4. Товстопят-Нелип И. И., Тригер С. А. К теории электроп-
роводности частично ионизованной плазмы // Теплофи-
зика высоких температур. — 1988. — 26, вып. 3. —
С. 417–435.
5. Спитцер Л. Физика полностью ионизированного газа /
Пер. с англ. — М.: Мир, 1965. — 212 с.
6. Райзер Ю. П. Физика газового разряда. — М.: Наука,
1992. — 536 с.
7. Физика и техника низкотемпературной плазмы / С. В.
Дресвин, А. В. Донской, В. М. Гольдфарб, В. С.
Клубникин. — М.: Атомиздат, 1972. — 352 с.
8. Уизем Дж. Линейные и нелинейные волны. — М.: Мир,
1977. — 624 с.
9. Тюрин Ю. Н. Основы технологии поверхностного упроч-
нения изделий плазмой электрического разряда: Дис. …
д-ра техн. наук. — Киев, 1997. — 485 с.
10. Тюрин Ю. Н., Колисниченко О. В., Циганков Н. Г. Им-
пульсно-плазменное упрочнение инструмента // Авто-
мат. сварка. — 2001. — № 1. — С. 38–44.
A physico-mathematical model of a detonation wave acceleration is proposed, and calculations of gas-dynamic characteristics
of plasma jets generated by a plasma-detonation unit have been performed. Influence of electrical parameters of the
discharge circuit on the temperature and velocity of the plasma behind the detonation wave has been analyzed. It is
established that decrease of the induction leads to a considerable increase of the above plasma characteristics.
Поступила в редакцию 23.02.2006,
в окончательном варианте 19.04.2006
8/2006 45
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-102767 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0005-111X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:24:51Z |
| publishDate | 2006 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Жадкевич, М.Л. Тюрин, Ю.Н. Колисниченко, О.В. Мазунин, В.М. 2016-06-12T14:18:33Z 2016-06-12T14:18:33Z 2006 Влияние параметров разрядного контура плазменно- детонационной установки на газодинамические характеристики импульсных плазменных потоков / М.Л. Жадкевич, Ю.Н. Тюрин, О.В. Колисниченко, В.М. Мазунин // Автоматическая сварка. — 2006. — № 8 (640). — С. 42-45. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102767 621.791.947.2.03:621.375.826 Предложена физико-математическая модель ускорения детонационной волны и проведены расчеты газодинамических характеристик плазменных струй, генерируемых плазменно-детонационной установкой. Проанализировано влияние электрических параметров разрядного контура на температуру и скорость плазмы за детонационной волной. Установлено, что уменьшение индуктивности приводит к значительному росту указанных характеристик плазмы. A physico-mathematical model of a detonation wave acceleration is proposed, and calculations of gas-dynamic characteristics of plasma jets generated by a plasma-detonation unit have been performed. Influence of electrical parameters of the discharge circuit on the temperature and velocity of the plasma behind the detonation wave has been analyzed. It is established that decrease of the induction leads to a considerable increase of the above plasma characteristics. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Научно-технический раздел Влияние параметров разрядного контура плазменно- детонационной установки на газодинамические характеристики импульсных плазменных потоков Effect of parameters of discharge circuit of plasma-detonation unit on gas-dynamic characteristics of pulsed plasma flows Article published earlier |
| spellingShingle | Влияние параметров разрядного контура плазменно- детонационной установки на газодинамические характеристики импульсных плазменных потоков Жадкевич, М.Л. Тюрин, Ю.Н. Колисниченко, О.В. Мазунин, В.М. Научно-технический раздел |
| title | Влияние параметров разрядного контура плазменно- детонационной установки на газодинамические характеристики импульсных плазменных потоков |
| title_alt | Effect of parameters of discharge circuit of plasma-detonation unit on gas-dynamic characteristics of pulsed plasma flows |
| title_full | Влияние параметров разрядного контура плазменно- детонационной установки на газодинамические характеристики импульсных плазменных потоков |
| title_fullStr | Влияние параметров разрядного контура плазменно- детонационной установки на газодинамические характеристики импульсных плазменных потоков |
| title_full_unstemmed | Влияние параметров разрядного контура плазменно- детонационной установки на газодинамические характеристики импульсных плазменных потоков |
| title_short | Влияние параметров разрядного контура плазменно- детонационной установки на газодинамические характеристики импульсных плазменных потоков |
| title_sort | влияние параметров разрядного контура плазменно- детонационной установки на газодинамические характеристики импульсных плазменных потоков |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102767 |
| work_keys_str_mv | AT žadkevičml vliânieparametrovrazrâdnogokonturaplazmennodetonacionnoiustanovkinagazodinamičeskieharakteristikiimpulʹsnyhplazmennyhpotokov AT tûrinûn vliânieparametrovrazrâdnogokonturaplazmennodetonacionnoiustanovkinagazodinamičeskieharakteristikiimpulʹsnyhplazmennyhpotokov AT kolisničenkoov vliânieparametrovrazrâdnogokonturaplazmennodetonacionnoiustanovkinagazodinamičeskieharakteristikiimpulʹsnyhplazmennyhpotokov AT mazuninvm vliânieparametrovrazrâdnogokonturaplazmennodetonacionnoiustanovkinagazodinamičeskieharakteristikiimpulʹsnyhplazmennyhpotokov AT žadkevičml effectofparametersofdischargecircuitofplasmadetonationunitongasdynamiccharacteristicsofpulsedplasmaflows AT tûrinûn effectofparametersofdischargecircuitofplasmadetonationunitongasdynamiccharacteristicsofpulsedplasmaflows AT kolisničenkoov effectofparametersofdischargecircuitofplasmadetonationunitongasdynamiccharacteristicsofpulsedplasmaflows AT mazuninvm effectofparametersofdischargecircuitofplasmadetonationunitongasdynamiccharacteristicsofpulsedplasmaflows |