Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ состояния современных теории и практики технологии плазмотермического нанесения покрытий 13
1.1 Возникновение турбулентности в потоках термической плазмы 16
1.2 Методы стабилизации плазменного потока 20
1.3 Характеристики плазмотрона ПН-В1 22
1.4 Выводы и постановка задачи исследования 26
ГЛАВА 2. Разработка математической модели с раздельным алгоритмом решения уравнений описывающих работу дугового плазмотрона с осевой и вихревой стабилизациями плазменного потока 28
2.1 Постановка задачи и основные уравнения математической модели плазмотрона 29
2.2 Дифференциальные уравнения и алгоритмы решения в среде Comsol Multiphysics 31
2.3 Дискретизация расчетной области для численного моделирования плазмотрона 34
2.4 Обоснование выбора свойств воздушной плазмы 34
2.5 Математическая модель дугового плазмотрона с осевой подачей плазмообразующего газа 38
2.6 Результаты численного моделирования работы дугового плазмотрона с осевой подачей плазмообразующего газа 40
2.7 Моделирование вихревой стабилизации дугового плазмотрона в прикатодной области 47
2.8 Математическая модель дугового плазмотрона с вихревой стабилизацией столба электрической дуги и струи плазменного потока 52
2.9 Теплообменные процессы в струе плазмы дугового плазмотрона у поверхности частицы при ламинарном и турбулентном потоках 56
2.10 Выводы по главе 64
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования режимов работы плазмотрона ПН-В1 67
3.1 Разработка методики проведения экспериментальных исследований 67
3.2 Методика обработки результатов экспериментального исследования 75
3.3 Результаты экспериментальных исследований 78
3.4 Спектроскопический анализ плазмотрона ПН-В1 82
3.5 Выводы по главе 86
ГЛАВА 4. Сравнительный анализ результатов численного моделирования и экспериментального исследования дугового плазмотрона с межэлектродными вставками 87
4.1 Верификация математической модели по характеристики напряжения на дуге 87
4.2 Верификация математической модели по результатам спектрального анализа 88
4.3 Выводы по главе 92
Заключение 93
Список литературы 96
- Методы стабилизации плазменного потока
- Дифференциальные уравнения и алгоритмы решения в среде Comsol Multiphysics
- Математическая модель дугового плазмотрона с вихревой стабилизацией столба электрической дуги и струи плазменного потока
- Результаты экспериментальных исследований
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Применение устройств,
генерирующих низкотемпературную плазму, получило широкое
распространение в промышленности. Основными примерами применения
дугового разряда являются плазменное напыление, дуговая сварка и
плазменная резка металлов, где в качестве рабочего инструмента
используется плазменный поток, генерируемый плазмотроном. Технология
плазменного напыления заключается в плавлении напыляемого материала в
плазменном потоке для нанесения на рабочую поверхность и используется
для нанесения восстанавливающих, жаростойких, антикоррозийных,
износостойких и антифрикционных покрытий. Основными критериями
качества напыляемого покрытия являются пористость и адгезия.
Эффективность технологии плазменного напыления и качество наносимого
покрытия зависят от свойств наносимых материалов и характеристик
плазменного потока. Именно поэтому главной технологической задачей при разработке новых конструкций плазмотронов для напыления является получение оптимальных параметров плазменного потока и режимов работы плазмотрона, обеспечивающих эффективность технологического процесса, качество наносимого покрытия и высокий рабочий ресурс конструктивных элементов плазмотрона. Научные исследования, направленные на повышение эффективности технологии плазменного напыления, проводятся во всем мире, при этом можно выявить основные школы, разрабатывающие теории физических процессов низкотемпературной плазмы. В Российской Федерации выделяются Новосибирская школа, где становление основ экспериментальных исследований электродуговых генераторов плазмы осуществлялось действительным членом РАН Жуковым М.Ф., Московская школа, возглавляемая академиком РАН Цветковым Ю.В., и школа Санкт-Петербургского политехнического университета (СПбПУ), где у истоков стоял Клубникин В.С.
Новосибирская школа рассматривает общие вопросы газовой динамики и базируется на экспериментальных исследованиях плазмогенерирующих устройств, решая прикладные задачи.
Московская школа сосредоточена на вопросах плазмохимии и материаловедения в технологии плазменного напыления.
Современные программные продукты позволяют осуществлять численное моделирование физических процессов в плазмотроне, тем самым снижая затраты и время при проектировании новых типов устройств для технологии плазменного напыления, а также дает возможность оптимизации
геометрии и характеристик плазмотрона, позволяя отойти от эмпирического
характера разработки. Актуальность работы связана с необходимостью
разработки дугового плазмотрона для нанесения покрытий и создания
эффективной модели, позволяющей учесть явления неустойчивости
плазменного потока, позволяющей сократить объёмы работ, выполняемых
экспериментальным методом. Математическое моделирование и
экспериментальные исследования легли в основу школы СПбПУ.
Школа СПбПУ, ныне возглавляемая Фроловым В.Я., на протяжении последних 40 лет занимается разработкой высокотехнологичного оборудования для технологического процесса напыления (разработано более сотни технологий в области плазмотермического нанесения покрытий), осуществляя сотрудничество с INP Greifswald (Германия) на протяжении многих лет, проводя совместные экспериментальные исследования. Комплексный подход в изучении плазменных технологий школы СПбПУ, включающий в себя как экспериментальные, так и теоретические исследования (в том числе численные методы) позволил стать признанным в мире центром по разработке, исследованию и численному моделированию плазмотронов, плазменных технологий и процессов.
Исследованию явлений неустойчивости плазменного потока и разработке дугового плазмотрона для нанесения покрытий и посвящена настоящая диссертация.
Цель и задачи диссертационной работы. Целью диссертационной
работы является разработка дугового плазмотрона для нанесения покрытий с
учетом явлений неустойчивости плазменного потока с установлением
закономерности турбулизации потока на участках конструкции
плазмогенерирующего устройства.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Анализ состояния современных теории и практики технологии плазменного нанесения покрытий.
-
Анализ физических явлений неустойчивости плазменного потока на стадиях генерирования плазмы.
-
Анализ явлений неустойчивости плазменного потока на выходе плазмотрона с учетом турбулизации генерируемого потока плазмы.
-
Разработка нестационарной математической модели дугового плазмотрона с осевой подачей плазмообразующего газа.
-
Разработка нестационарной математической модели дугового плазмотрона с вихревой стабилизацией.
-
Исследование неустойчивости плазменного потока.
-
Экспериментальные исследования дугового плазмотрона с межэлектродными вставками для нанесения покрытий.
Методы исследования. Теоретические исследования основаны на разработке нестационарных математических моделей дугового плазмотрона для нанесения покрытий, осуществления численного моделирования в программном обеспечении Comsol Multiphysics, основанном на использовании метода конечных элементов и анализе полученных результатов. Экспериментальные исследования режимов работы дугового плазмотрона, регистрация данных во времени об основных характеристиках плазмотрона с использованием АЦП при работе от различных источников питания, анализ полученных результатов. Сравнительный анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Научная новизна
-
Разработаны нестационарные математические модели дугового плазмотрона с межэлектродными вставками для нанесения покрытий с осевой подачей плазмообразующего газа и с вихревой стабилизацией электрической дуги в канале плазмотрона с учетом явлений неустойчивости плазменного потока в программном продукте Comsol Multiphysics.
-
Разработана трехмерная нестационарная математическая модель формирования вихревой подачи газа в катодном узле плазмотрона, получены полиномиальные зависимости распределения составляющих скорости на выходе катодного узла в программном продукте Comsol Multiphysics.
-
Разработана математическая модель теплообменных процессов у поверхности частицы напыляемого порошка в ламинарном и турбулентном течениях.
-
Произведено уточнение критического числа Рейнольдса для существующей конструкции дугового плазмотрона с межэлектродными вставками.
Теоретическая значимость работы заключаются в разработке:
- математических моделей плазмотрона с межэлектродными вставками, позволяющих минимизировать экспериментальные исследования при разработке новых конструкций плазмотронов, обеспечивающих
стабильность плазменного потока с целью повышения эффективности процесса плазменного нанесения покрытий;
требований к конструкции плазмотрона для обеспечения стабильности плазменного потока и эффективного теплоотведения от элементов плазмотрона с целью повышения эксплуатационного ресурса;
требований к характеристикам источника питания, используемых в технологии плазмотермического нанесения покрытий.
Практическая значимость работы заключается в применении результатов при проектировании новых и модернизации существующих установок плазмотермического нанесения покрытий с целью повышения эффективности процесса плазменного нанесения покрытий и увеличения эксплуатационного ресурса применяемого оборудования.
Объектом исследования является плазмотрон с межэлектродными вставками.
Положения, выносимые на защиту:
-
Анализ явлений неустойчивости плазменного потока дугового плазмотрона.
-
Создание нестационарных математических моделей дугового плазмотрона с межэлектродными вставками для нанесения покрытий с осевой подачей плазмообразующего газа и с вихревой стабилизацией электрической дуги в канале плазмотрона в программном продукте Comsol Multiphysics, позволяющих идентифицировать флуктуации плазменного потока.
-
Результаты теоретических исследований влияния геометрии анодной части плазмотрона и характеристик источника питания на стабильность плазменного потока.
-
Методика проведения экспериментальных исследований: принципиальные схемы проведения экспериментальных исследований, идентификация флуктуаций плазменного потока, определение радиального распределения температуры методами спектрального анализа.
-
Сравнение и анализ теоретических и экспериментальных результатов исследований.
Обоснованность и достоверность научных положений, изложенных в диссертации, базируется на применении общеизвестных положений магнитогазодинамики и термодинамики, методов численного моделирования с привлечением специализированного программного
обеспечения для моделирования физических процессов Comsol Multiphysics,
основанном на использовании метода конечных элементов, и
согласованности результатов теоретических и экспериментальных
исследований.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на следующих научных конференциях:
-
XXI Международная конференция «Physics of Switching Arcs» (Чехия, Нове-Место-на-Мораве,2015).
-
Международная конференция «2016 IEEE NW Russia Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference» (Россия, Санкт-Петербург, 2016).
-
XII Международная конференция «Плёнки и покрытия - 2015» (Россия, Санкт-Петербург, 2015).
-
XLII Научный форум с международным участием «Неделя науки СПбПУ» (Россия, Санкт-Петербург, 2013).
-
XLIV Научный форум с международным участием «Неделя науки СПбПУ» (Россия, Санкт-Петербург, 2015).
-
Международная конференция, посвященная 150-летию со дня рождения Михаила Андреевича Шателена.
Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 8 печатных работах, в том числе 3 работы в изданиях, включенных в Перечень ВАК.
Личный вклад. Автор на всех этапах работы непосредственно
участвовал в постановке задачи, разработке математической модели работы
дугового плазмотрона, выборе методик расчётов теоретических параметров,
разработке схемы экспериментального исследования и методов диагностики,
монтаже экспериментального оборудования, разработке алгоритма
регистрации данных, обработке результатов численного моделирования и экспериментального исследования, а также формировании выводов по выполненной работе.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 75 наименований, и двух приложений. Полный объем диссертации – 95 страниц, в том числе рисунков – 75,таблиц – 8.
Методы стабилизации плазменного потока
Неустойчивость Кельвина-Гельмгольца обусловлена существованием сдвиговых перемещений. Кратко механизм неустойчивости можно описать следующим образом: рост поперечной скорости границы раздела и сужение трубок тока (газовая динамика) снижение давления рост скорости и.
Инкремент начальной стадии развития неустойчивости Кельвина-Гельмгольца (1.3) пропорционален сдвиговой скорости и, т.е. колебания для каждого элемента массы возрастают с увеличением и. r = slPi-P2/(Pi+P2)kv, (1-3) где р1, р2 - плотности; и - относительная сдвиговая скорость. Неустойчивость Релея-Тейлора обусловлена разницей плотностей и инкремент неустойчивости имеет вид: г= g У2 Ру (1.4) V (А+А) В случае одновременного развития неустойчивости Релея-Тейлора с неустойчивостью Кельвина-Гельмгольца инкремент имеет вид: (1.5) Г S Pi-Px , РхРі и2 kp2+Pi (Р\+Р2У
Также выделяют конвективную неустойчивость, которая связана с неравномерностью нагретого слоя, и возникает из-за разницы плотностей зависящих от температуры. Т.е. данный механизм развития неустойчивости аналогичен механизму неустойчивости Релея-Тейлора. Стабилизация гидродинамической неустойчивости возможна в плазме с магнитным полем при движении проводника в поперечном направлении к линиям индукции магнитного поля, т.к. возникают тормозящие пондеромоторные силы (магнитная вязкость). Условие существенного влияния магнитного поля на стабильность плазменного потока имеет вид: Rem »1, Rem = u0L0p0cr, (1.6) где v0 - характерная скорость; L0 - характерный размер; 1///0 т - магнитная вязкость. Другой механизм развития колебаний давления связан с флуктуацией амперовой силы за счет проводимости или за счет флуктуаций параметра Холла.
В средах с переменной проводимостью о=а(Т) возникает перегревная неустойчивость, связанная с флуктуацией внутренней энергии (температуры), приводящей к возмущению джоулева тепловыделения, усиливающего флуктуацию внутренней энергии. Эта неустойчивость может возникать в отсутствии магнитного поля и проявляться как при растущей, так и при падающей зависимостях проводимости от температуры.
Углубленные исследования развития перегревной неустойчивости в рамках краевой задачи показывают, что критерии возникновения перегревной неустойчивости зависят от характера изменения проводимости в зависимости от температуры плазмы и граничных условий.
Существует широкий класс неустойчивостей в низкотемпературной плазме более подробно описание данных явлений представлено в работе [29].
Несмотря на весьма продолжительную историю технологии плазменного напыления, которая произрастает из электротехники и впервые была использована для переработки материалов в 1950 г. [30], вопрос проектирования конструкции плазмотрона, обеспечивающей высокие производительность и коэффициент полезного действия, остается открытым. Необходимость разработки новых конструкций плазмотронов, обеспечивающих более равномерное и последовательное плавление и ускорение напыляемого материала, требует совершенствования методов численного моделирования плазменных процессов и организации дополнительных экспериментальных исследований по выявлению природы физических явлений процесса генерирования термической плазмы.
Приведенный выше анализ развития неустойчивостей, развивающихся в низкотемпературной плазме, демонстрирует, что в отличие от течений сред с постоянными свойствами, нестационарные процессы в плазме самого различного происхождения являются скорее правилом, чем исключением. Указанное обстоятельство значительно усложняет поиск критерия (или критериев), характеризующего переход от ламинарного течения к турбулентному. Основные признаки возникновения турбулентности, являющиеся общими для вязкой жидкости и плазмы [27,31,32]: - спектры пульсационных полей различных величин: скорости, температуры, давлении, потенциала и др. - непрерывные; - коэффициенты корреляций пульсаций любых величин в двух точках потока, или в одной точке, но в разные моменты времени, стремятся к нулю при увеличении пространственного или временного сдвига; - характеристики течения обнаруживают чувствительную зависимость от малого изменения начальных условий.
В лаборатории Санкт-Петербургского Политехнического Университета имени Петра Великого были получены зависимости пульсаций напряжения от времени (см. рис. 1.2) для дугового плазмотрона с межэлектродными вставками, из которой так же можно убедиться в наличии турбулентных пульсаций, которые носят квазипериодический характер.
Придерживаясь статистического описания турбулентности, более подробное описание представлено в книге [33], пульсации в плазме можно разделить на поперечные и продольные, что является главным отличием от описания турбулентности в жидкости, где из-за не сжимаемости последней возможно лишь наличие поперечных (вихревых) пульсаций.
Наличие теплового поля с большим градиентом температуры и свойств материала, типично для взаимодействия дуговых разрядов с окружающей средой, приводят к различным типам гидродинамических, тепловых и электромагнитных неустойчивостей. Эти неустойчивости влияют на динамику дуги, а также на развитие струи (например, поперечную нестабильность потока на периферии струи).
Дифференциальные уравнения и алгоритмы решения в среде Comsol Multiphysics
Одним из широко применяемых способов стабилизации электрической дуги и управления характеристиками плазменного потока является применение вихревой стабилизации. Конструктивные особенности плазмотрона ПН-В1 не позволяют с малой степенью погрешности перейти к решению двухмерной осесимметричной задачи, а реализация трехмерной задачи требует высоких вычислительных ресурсов. Оптимальным выходом является создание трех мерной нестационарной математической модели прикатодного узла, где происходит формирование вихревой подачи плазмообразующего газа, с целью получения распределения скоростей для задания их в качестве граничных условий первого рода в двухмерной осесимметричной задаче.
Конструкция прикатодного узла представлена на рис. 2.21. Формирование тангенциальной закрутки плазмообразующего газа осуществляется посредством четырехзаходной резьбы в прикатодной части плазмотрона. Расчетная область, ограниченная стенками катодного узла плазмотрона, представлена на рис. 2.22.
Геометрия расчетной области с дискретизацией расчетной области Математическая модель основана на решении уравнения Навье-Стокса для ламинарного потока. Применимость модели ламинарного потока обусловлена малым значением числа Рейнольдса, которое является меньше критических значений Reкр [63,64]. С целью подтверждения корректности выбора математической модели ламинарного потока была получена зависимость числа Рейнольдса от времени при различных значениях расхода плазмообразующего газа (см. рис. 2.23). Рисунок 2.23. Зависимость числа Рейнольдса от времени при различном расходе плазмообразующего газа Время формирования установившегося потока является одним из важнейших параметров для создания автоматизированной системы поджига. Анализ зависимости максимальной скорости на выходе расчетной области от времени (см. рис. 2.24) позволяет идентифицировать момент времени, при котором поток можно считать установившемся, которое при минимальном расходе газа составляет 0,1 мс.
Основной задачей моделирования является получение распределений осевой и радиальных скоростей для задания граничных условий двухмерной осесимметричной задачи, где осевая скорость плазмотрона в рамках трехмерной математической модели катодного узла соответствует скорости z, а радиальная скорость – y.
Зависимость максимальной скорости на выходе расчетной области при различных расходах плазмообразующего газа Распределения скорости z вдоль линии распределения (см. рис. 2.24) в зависимости от координаты x и времени при расходе плазмообразующего газа 0,4 г/с представлен на рис. 2.25.
График распределения скорости z при расходе плазмообразующего газа 0,4 г/с Использование полученных результатов моделирования возможно при усреднении полученных распределений скорости по времени. Результаты усреднения скоростей представлены на рис. 2.26.
Математическая модель плазмотрона с вихревой стабилизацией дуги для технологии плазмотермического нанесения покрытий основаны на применении уравнений, описанный в пункте 2.1. Геометрия расчетной области и алгоритм расчета совпадают с математической моделью плазмотрона с осевой подачей плазмообразующего газа. Главным отличием данной математической модели является задание граничных условий. Распределение осевой скорости vz задано полиномом пятой степени: vz=a1X5+a2x4+a3x3+a4x2 + а5х + а6 (2.13) Коэффициенты полинома для скорости vz с учетом центровки оси абсцисс представлены в таблице 2.2. Таблица 2.2 Коэффициенты полинома для скорости z G, г/с a1 a2 a3 a4 a5 a6 0,4 32,07 24,51 38,30 13,75 -31,45 -12,95 0,8 64,70 28,38 -70,56 28,69 -82,90 -43,97 1,2 96,14 46,06 -101,50 36,81 -123,10 -61,24 1,6 124,40 21,21 -123,80 155,80 -186,40 -130,50 2,0 157,80 60,50 -168,60 95,43 -208,10 -114,80 2,4 173,30 48,99 -187,00 132,20 -234,70 -104,60 Зависимость коэффициентов полинома для скорости vz от расхода газа может быть описана полиномом второй степени: an=b1G2+b2G + b3, (2.14) где G - расход газа, г/с. Коэффициенты полинома для выражения (2.14) представлены в таблице 2.3. Полиномиальная форма записи распределения скоростей позволяет осуществлять варьирование расхода плазмообразующего газа при численном моделировании работы дугового плазмотрона широком диапазоне значений. с вихревой стабилизацией в
Математическая модель дугового плазмотрона с вихревой стабилизацией столба электрической дуги и струи плазменного потока
Экспериментальные исследования режимов работы дугового плазмотрона ПН-В1 для технологии плазмотермического нанесения покрытий направлены на выявление причин развития неустойчивости плазменного потока и оценке применимости разработанных математических моделей включают в себя исследования режимов работы плазмогенерирующего устройства с использованием стандартных источников питания АПР-403 (трехфазный источник питания с дроссельным управлением) и АПР-404 (трехфазный двухполупериодный тиристоный источник питания). Основными характеристиками при оценке стабильности плазменного потока являются падение напряжения на электрической дуге и мощность излучения [67,68,69,70,71]. Регистрация данных во времени аналоговых характеристик с последующей цифровой обработкой результатов позволяет оценить стабильность плазменного потока и идентифицировать неустойчивость, вызванную флуктуацией электрических параметров, и как следствие, изменение параметров тепловой энергии в столбе электрической дуги плазмотрона, для регистрации силовой неустойчивости, связанной с флуктуацией импульса реализована регистрация данных градиента давления при помощи емкостного микрофона. Принципиальная схема экспериментального стенда для снятия характеристик представлена на рис. 3.1. Разработанное оборудование для регистрации данных во времени базируется на применении платформы Arduno Mega 2560, построенной на микроконтроллере ATmega2560. Платформа имеет 16 аналоговых входа, 54 цифровых входа/выхода, 4 последовательных порта UART, кварцевый генератор 16 МГц [72]. Разрядность двоичного АЦП платформы 10 бит, что соответствует 1024 уровням квантования. Паспортные данные и принципиальная электрическая схема платформы Arduno Mega 2560 представлены в приложении 2. Организация связи для записи данных осуществлена через универсальный асинхронный приёмопередатчик (УАПП, англ. UART) с привлечением программного продукта MATLAB пакета Simulink для синхронизации платформы Arduno Mega 2560 с компьютером. 0,4 кВ П/
Принципиальная схема экспериментального стенда для снятия характеристик плазмотрона ПН-В1: 1 – подача водяного охлаждения, 2 – ротаметр, 3 – воздушный компрессор, 4 – источник питания (АПР-403 или АПР-404), 5 – аналоговый модуль для снятия характеристик тока и напряжения на дуге, 6 – отвод охлаждающей жидкости, 7 – оптический датчик (фототранзистор L-610MP4BT/BD), 8 – электретный микрофон (ECM-10D), 9 – модуль расширения преобразования аналоговых сигналов в цифровые и передачи данных по интерфейсу связи USB device, 10 – компьютер с предустановленным программным обеспечением, 11 – исследуемый объект (плазмотрон ПН-В1) Принципиальная схема согласования модуля расширения для снятия характеристик тока и напряжения на дуге, оптического датчика и электретного микрофона с модулем расширения преобразования аналоговых сигналов в цифровые на базе платформы Arduino Mega 2560 и элементов питания датчиков представлена на рис. 3.2. Дополнительно реализована возможность синхронизации и сопряжения с внешним экспериментальным оборудованием.
Принципиальная схема экспериментального оборудования для регистрации данных Спецификация элементов экспериментального оборудования для регистрации данных представлена в таблице 3.1. Таблица 3.1 Спецификация элементов экспериментального оборудования № 1234 5 678 9 Наименование элемента Описание № 10111213 14 151617 18 Наименование элемента Описание Ri Резистор 0,25 Вт, 560 Ом, 1% КД Стабилитрон 5,1В, 1Вт R2 Резисторподстроечный100 Ом VD2 Стабилитрон 5,1В, 1Вт R3 Резистор 0,25 Вт, 390 Ом, 1% VT, Фототранзистор L-610MP4BT/BD R4 Резистор 0,25 Вт, 91 кОм, 1% ci Конденсаторкерамическийвыводной , 0,1мкФ,10% R5 Резисторподстроечный10 кОм C2 Конденсаторкерамическийвыводной , 0,33мкФ,10% R6 Резистор 0,25 Вт, 2 кОм, 1% c3 Конденсаторкерамическийвыводной , 0,1 мкФ,10% Ri Резистор 0,.5 Вт, 220 Ом, 5% c4 Конденсаторэлектролитическийалюминиевый10 мкФ, 16 В Rs Резистор 0,25 Вт, 4.7 кОм, 1% BMX МикрофонэлектретныйECM-10D R, Резистор 0,25 Вт, 10 кОм, 1% SB1 Кнопка без фиксации, PBS-10B-2 71 Синхронизация платформы Arduino Mega 2560 с компьютером осуществлена с использованием схемы, реализованной в среде Simulink (см. рис. 3.3) с предустановленным пакетом поддержки Arduino «Simulink Support Package for Arduino Hardware», работающей в режиме внешнего взаимодействия в реальном времени «External mode». В данном режиме используется Simulink CoderTM в динамической связи сгенерированного кода блоков входов/выходов с входами/выходами устройства (Arduino Mega 2560). Полученный файл исполнения работает в режиме ядра операционной системы на хост-компьютере и обменивается данными с помощью Simulink через общий интерфейс памяти. Внешний режим полностью синхронизирован с часами реального времени. Основной ролью Simulink является чтение и отображение результатов моделирования, возвращенных от файла исполнения. Диаграмма, поясняющая работу режима «External mode» представлена на рис. 3.4. Настройки UART соединения в режиме «External mode» позволяют регистрировать 151 значение каждого сигнала с 4-х синхронизированных аналоговых входов с частотой дискретизации 15,4 кГц. Данная частота дискретизации позволяет идентифицировать основные флуктуации плазменного потока, частота которых
Алгоритм регистрации данных в режиме «External mode» с использованием платформы Arduino Mega 2560 (реализация в среде Simulink) составляет 300 Гц [70,73]. Снятие данных падения напряжения на электрической дуге осуществляется посредством делителя напряжения, собранном на резистивных элементах R4… R6 (см. рис. 3.2) с коэффициентом передачи 250/5, для защиты платформы от значений напряжения превышающих значение максимально допустимого на аналоговом входе используется стабилитрон VD2. Внешний вид смонтированного на плату делителя напряжения представлен на рис. 3.5. Разрешение двоичного АЦП платформы Arduino Mega 2560 с учетом делителя напряжения для регистрации падения напряжения на дуге составляет 0,2 В, что свидетельствует о высокой точности измерений.
Результаты экспериментальных исследований
Полученные экспериментальные данные позволяют оценить стабильность плазменного потока и влияние характеристик источников питания. Согласно полученным результатам исследования целесообразно рекомендовать источник питания АПР-403 в качестве основного источника питания для плазмотрона ПН-В1, что позволяет обеспечить более стабильный плазменный поток, тем самым улучшить характеристики напыляемого покрытия и повысить коэффициент полезного действия технологического процесса плазмотермического нанесения покрытий.
Радиальные распределения температуры, полученные в результате спектрального анализа, в совокупности с характеристикой напряжения на электрической дуге позволяют произвести верификацию разработанной нестационарной математической модели.
Характеристики интенсивности светового излучения и уровень шума позволяют идентифицировать развитие неустойчивости плазменного потока на выходе дугового плазмотрона с межэлектродными вставками, согласно результатам проведенных исследований развитие неустойчивости плазменного потока наблюдается при расходе плазмообразующего газа более 1,25 г/с. на дуге от времени Оценка корректности результатов численного моделирования осуществляется путем проведения экспериментальных исследований и сопоставления полученных результатов. Сравнение результатов численного моделирования и экспериментальных данных произведено для режима работа дугового плазмотрона с расходом плазмообразующего газа 0,55-0,56 г/с. Одной из важнейших характеристик при оценке стабильности плазменного потока является падение напряжения на дуге. Расчетная и экспериментальная зависимости падения напряжения представлены на рис. 4.1.
Падение напряжения на дуге (результаты численного моделирования и экспериментальные данные) Полученные при численном моделировании значения падения напряжения на дуге согласуются с результатами экспериментальных исследований, незначительные различия обусловлены отсутствием движения точки привязки электрической дуги и отсутствием учета приэлектродных процессов в математической модели дугового плазмотрона с межэлектродными вставками.
Одним из результатом проведенных экспериментальных исследований являются полученные радиальные распределения температуры на различном удалении от выхода плазмотрона (см. главу 3). Сравнение результатов численного моделирования и экспериментальных данных о радиальном распределении температуры, полученных при спектральном анализе, осложняется из-за флуктуации плазменного потока, т.к. полученные радиальные распределения температуры являются усредненными значениями за время экспозиции, поэтому для более корректного сравнения было проведено осреднение радиальных распределений температуры по времени при установившемся течении плазменного потока, полученных по результатам численного моделирования. Кроме того для качественной оценки флуктуации температуры представлены минимальное и максимальное распределения температуры в установившемся режиме работы плазмотрона, полученные из результатов моделирования.
Результаты спектрального анализа приведены с погрешностью, обусловленной методикой обработки результатов. Верификация нестационарной математической модели осуществляется путём сопоставления результатов численного моделирования и спектрального анализа для идентичных режимов работы плазмотрона. Расчетное и экспериментальное радиальные распределения температуры на удалении 1 мм от выхода плазмотрона представлены на рис. 4.2.
Данные высокоскоростной съемки плазменного потока на выходе плазмотрона Представленные выше результаты подтверждают корректность численного моделирования работы дугового плазмотрона с межэлектродными вставками. На основании полученных экспериментальных данных о критических расходах плазмообразующего газа, при которых осуществляется переход к турбулентному течению, и результатов численного моделирования установлены критические значения числа Рейнольдса. Критическое значение числа Рейнольдса при использовании в качестве источника питания АПР-403 равно 267, а для АПР-404 – 212. 4.3 Выводы по главе
Результаты сравнительного анализа с учетом нестационарного плазменного потока и погрешности обработки результатов численного моделирования и экспериментальных исследований позволяют верифицировать математическую модель.
Анализ математической модели на границе развития неустойчивости плазменного потока (из результатов экспериментального исследования 1,25 г/с) в идентичных режимах работы дугового плазмотрона с проведенными экспериментальными исследованиями позволяет уточнить значение критического числа Рейнольдса. Согласно результатам исследования критическое значение числа Рейнольдса для конструкции плазмотрона ПН-В1 составляет 267 и 212 при использовании источников питания АПР-403 и АПР-404 соответственно.