Введение к работе
Актуальность работы. Повышение эффективности производства и качества продукции сегодня возможно только за счет применения современных технологических прие'мов.
Все большее значение начинает приобретать новые технологические процессы и установки, основанные на применении низкотемпературной плазмы. Необычайно широкие возможности практического применения низкотемпературной плазмы в технологических процессах объясняются ее свойствами как теплоносителя с высокой концентрацией энергии. С помощью низкотемпературной плазмы сейчас успешно ресаются такие технологические задачи как резка металлов, напыление жаростойких покрытий, наплавка, сфероидизация мзлких частиц, специальная термическая обработка поверхности строительных материалов. Таким образом, в настоящее время определился ряд направлений использования низкотемпературной плазмы в технике.
Наиболее исследованными я пироко распространенными в промышленности в настоящее время являются дугоаыэ и ВЧ плазмотроны. Индукционные плазмотроны по ряду характеристик обладают лучшими показателями по сравнению с дуговыми: чистота плазмы, неограниченный ресурс работы плазмотрона, большой объем плазмы с меньшими градиентами температуры, невысокие скорости истечения плазмы, возможность использования, химически активных веществ в качестве плазмосбразуюшего газа.
С ростем мощностей индукционных плазмотронов а увеличением при атом затрат на натурное экспериментирование, важное значение приобретают теоретические исследования. Исследования с использованием математических моделей обладают рядом особенностей, которые 2 сочетании с исследованиями на натурных объектах позволят повысить эффективность проектирования и качество исследовательских разработок.
Математическое моделирование предоставляет возможность сконцентрировать внимание на некоторых параметрах индукционного плазмотрона и изучить их влияние на процесс, а также взаимосвязь с другими параметрами.
Все вышесказанное убеждает в актуальности разработки математических моделей ВЧИ плазмы, по которым можно рассчитывать двумерные течения и температурные поля плазмы в зависимости от геометрии плазмотрона и его мощностных характеристик. Создание на их основе комплекса прикладных программ и математического обеспечения расчета электрических и тепловых характеристик ВЧИ плазмотронов*
Цель работы. Создание двумерной модели высокочастотного плазмотрона, где все процессы, происходящие в ВЧИ плазмотроне, описывается двумерными уравнениями, исследование методов их решения и создание комплекса программ для их реализации на ЭВМ. В работе реализуются следующие конкретные цели:
Разработка и исследование математической модели, описывавшей двумерные течения, температурные поля а электромагнитные поля в ВЧИ плазмотроне и выявление преимущества данной модели перед другими моделями.
Построение вычислительных алгоритмов, реализующих численное решение модели и использование результатов расчетов при про-2
оптировании л виборе плазменных технологических установок.
Проверка достоверности расчетных результатов путем их сравнения с опубликованными экспериментальными данными и также с данными экспериментов, проведенных на лабораторных установках.
Расчет производительности плазменного факела с учетом массовой загрузки дисперсными частицами и сравнение результатов расчета с экспериментальными.
Практическая ценность. Получена математическая модель, учитывавшая все процессы, происходящие в ЗЧИ плазмотроне в двумерной постановке, и написан набор программ для реализации данной модели и исследования зависимостей температурных я скоростных полей от геометрии плазмотрона, мощности вкладываемой в плазму.
Построенный комплекс программ дает возможность рассчитать электрические и тепловые характеристики ВЧИ плазмотронов, которые необходимы при проектировании высокочастотных генераторов.
Разработана методика расчета загруженной плазменной струи большим количеством твердых частиц в виде порошкового материала. Эта методика позволяет определять точки ввода и начальной скорости частиц, обрабатываемых в плазме, а такке теплообмена мехду частицами и плазмой при обработке различных материалов и фракций.
Методика расчета обработки порошкового материала использовалась для выбора эффективной конструкции установки по переработке периклаза с целью повышения его качества.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались ебшие уравнения теории электромагнитного поля, теории теплопроводности и движения сплошной среды; численные методы решения систем дифференциальных уравнений в частных производных, основанных на кнтегро-интерполяциеннои :; конечнг-разностной дискретизации; методы структурного и модульного программирования.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Построена математическая модель высокочастотного индукционного, плазмотрона, которая учитывает двумерные температурный и скоростные поля и также исследует электремагнитную задачу в двумерной постановке с использованием понятия векторного потенциала. Проведен анализ согласованности граничных условий.
-
Использован новый подход при дискретизации уравнения электромагнитного поля по девятиточечному шаблону, который является развитием ранее применяемого пятиточечного шаблона. Предложен новый подход при решении уравнений описывающих баланс энергии, движения и электромагнитного поля путем их объединения в обобщенную запись. Таким образом решается только однотипное уравнение.
-
Проведены исследования двумерных полей температуры, течений а электромагнитного поля в зависимости от мощности в разряде, геометрии плазмотрона и расхода газа и сравнение результатов разработанной модели с результатами ранее полученными по квазидвумерной модели.
-
Разработана методика численного расчета теплообмена между плазмой я дисперсным материалом, которая позволяет проводить эксперимент по выбору рациональных технологий обработки порошкового материала.
Аппобаоия работы. По материалам диссертации делались доклады на научно-технических семинарах кафедры "Электротехника и электроэнергетика" Ленинградского Государственного Технического Университета.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Материал изложен на 132 стр.машинописного текста, в том числе 32 рисунка , 4 таблиц в перечень использованной литературы. 4