Введение к работе
Актуальность работы
Физическое явление коллективного движения газа, возникающего в результате образования потока ионов, дрейфующих в поле коронного разряда и передающих свой импульс нейтральным компонентам газовой среды при столкновениях, исторически получило название - электрический ветер. Традиционно электрический ветер применяется в аппаратах электрон-ионных технологий, в электрофильтрах для очистки газовых сред, в устройствах для электроокраски и нанесения покрытий на материалы, а так же в системах электрической прокачки газов.
В последние годы к изучению этого явления, которое стали часто называть электрогидродинамическим (ЭГД) эффектом, проявляется повышенный интерес. Это обусловлено возможностью формирования скоростных газовых потоков без использования электромеханических систем таких, как турбины и вентиляторы.
С ЭГД эффектом связана перспективная атмосферная плазменная технология со многими потенциальными применениями в аэронавтике, позволяющая управлять воздушным потоком у поверхности крыла, уменьшая лобовое сопротивление и затрудняя переход к турбуленции.
В космической технике электродинамический поток применяется для сдува пузырей с фильтрующих сеток топливных каналов, в разработках электроракетных двигателей и безлопаточных электрогидронасосов.
В компьютерной технике ЭГД потоки могут быть применены для отвода тепла при охлаждении компьютерных чипов в современных высокомощных вычислительных системах.
В лазерной технике ЭГД системы используются для прокачки рабочей смеси в электроразрядных газовых лазерах. Преимущество электрической прокачки перед механической в том, что она не имеет движущихся частей и связанных с ними причин отказа из-за изнашивания ротора или тепловой и механической усталости вентиляторов, а также целый ряд других преимуществ.
В настоящее время, возможности применения ЭГД потоков в мощных электрофизических устройствах и промышленных технологических установках, остаются весьма ограниченными. Причиной этого является низкая мощность коронного разряда, обусловленная малой площадью поверхности электродов и переходом разряда в искровой при повышении тока, так при напряжении разряда 30 кВ скорость и величина потока составляют 4 — 5 м/с и 2 — 3 л/с.
В системах с барьерным разрядом ЭГД поток создается вдоль поверхности диэлектрика, что также ограничивает величину расхода газа. Кроме того, при высоких напряжениях и токах ухудшается электрическая прочность конструкции, что снижает надежность работы электрофизических установок.
При создании мощных электрофизических установок, в частности, для прокачки рабочих смесей в мощных электроразрядных лазерах требуются значительно более высокие газовые потоки.
В работах ИЭЭ РАН было предложено использовать высокочастотный газовый разряд, распределенный по диэлектрической поверхности. Такой разряд значительно мощнее коронного разряда и может быть получен на площади до 103 см2. Однако практических полномасштабных исследований получения электрогидродинамического потока в такой системе не проводились.
Таким образом, проблема получения мощного ЭГД потока в газе является актуальной, а поиск путей ее решения требует проведения исследований.
Объект и предмет исследований
Объектом исследований является мощный ЭГД поток, образующийся при горении высокочастотного барьерного разряда распределенного по поверхности диэлектрика, позволяющий достичь достаточно высоких скоростей прокачки и больших газовых потоков с поперечным сечением порядка 102 см2.
Предметом исследований является устройство формирования ЭГД-потока с величиной объемного расхода более 10 л/с, состоящее из плазменного эмиттера (ПЭ) ионов на основе высокочастотного барьерного разряда, сеточного коллектора ионов и высоковольтной системы питания.
Цель работы
Основной целью настоящей диссертационной работы является разработка, создание, исследование и оптимизация параметров системы формирования мощного электрогидродинамического потока при горении высокочастотного барьерного разряда в газе, а также теоретическое и экспериментальное исследование процессов образования ЭГД потоков и их электрофизических характеристик при разных параметрах и режимах работы источников питания для достижения наибольших величин газового расхода.
Постановка задачи
На основе рассмотренной системы Дюманшена было необходимо разработать экспериментальную установку, которая наиболее полно удовлетворяет требованиям создания мощного ЭГД потока, а также провести теоретическое и экспериментальное исследование процессов его формирования и определить его основные разрядные и скоростные характеристики.
Экспериментально исследовать возможность получения ЭГД потока с управляемыми параметрами ионного тока, направления движения, профиля распределения потока, а также скорости и величины объемного расхода газа.
Исследовать возможность масштабирования параметров установки с целью получения скоростных газовых потоков с более высокими характеристиками, чем у других ЭГД систем.
Методы исследований
В ходе экспериментальных исследований электроразрядные характеристики измерялись цифровым осциллографом, вольтметром и амперметром, концентрация заряженных частиц определялась счетчиком аэроионов, температурный режим контролировался инфракрасным пирометром, а измерение скоростных параметров потока с помощью цифрового анемометра.
Проводилась регистрация осциллограмм токов и напряжений барьерного разряда, измерение вольт-амперных характеристик ионного тока коллектора, а также профилей распределения скорости воздушного потока на выходе
устройства при разных параметрах установки и режимах работы высоковольтных генераторов.
Напряжение на плазменном эмиттере измерялось высоковольтным щупом Tektronix Р6015А, ток барьерного разряда низкоиндуктивным омическим шунтом. Скоростные характеристики ЭГД потока контролировались с помощью термоанемометра АТТ-1004. Регистрация электрических сигналов от щупов и датчиков тока проводилась с помощью цифрового запоминающего осциллографа LeCroy WaveRunner 6051А с полосой пропускания 500 МГц и частотой дискретизации 5 Гвыборок/с. Для оценки мощности потерь температура на плазменном эмиттере и элементах генератора регистрировались инфракрасным пирометром RayTek MiniTemp бесконтактным методом.
Другим методом исследований являлся теоретический расчет и численное моделирование характеристик ЭГД потока, с помощью которых были определены и оптимизированы основные параметры экспериментальной установки. В ходе экспериментов результаты теоретических расчётов сравнивались с данными экспериментов и анализировались.
Научная новизна
В работе впервые исследован новый подход к проблеме получения ЭГД потока, в котором источником ионов служит высокочастотный барьерный разряд, распределённый по поверхности диэлектрика. Благодаря достаточно большой площади эмиссии и плотности частиц такой подход лишен принципиальных физических ограничений на величину газового потока.
Была предложена одномерная модель стационарного ЭГД потока с помощью которой решены задачи о продольном распределении электрического поля и концентрации ионов в промежутке между эмиттером и коллектором заряженных частиц, а также выведены формулы для расчета его вольт-амперных и скоростных характеристик.
Предложено, разработано и создано оригинальное устройство формирования ЭГД потока с коаксиальной конструкцией плазменных эмиттеров
заряженных частиц и высоковольтной системой питания, позволившее достигнуть рекордного газового расхода до 11,7 л/с и скорости до 1,6 м/с.
Проведены оптимизация характеристик предложенного устройства формирования ЭГД потока и выбор оптимальных параметров генераторов напряжения синусоидальной формы с амплитудой до 15 кВ и частотой 30 кГц, а также квазипрямоугольных импульсов положительной полярности с изменяемой амплитудой напряжения \]j = 0 — 12 кВ, длительностью t « 7 мкс, перестраиваемой частотой следования импульсов / = 10 — 25 кГц.
Практическая значимость
Разработанная и созданная автором работы система формирования электрогидродинамического потока может применяться в устройствах, совмещающих возможности прокачки и предыонизации для газоразрядных установок, например газоразрядных лазеров, позволяющих заменить традиционные механические устройства прокачки рабочих сред.
Уникальные возможности применения ЭГД потоков связанны с интенсификацией теплоотдачи, в аэрокосмических энергоустановках, а также при охлаждении компьютерных процессоров. В авиации возможно управление воздушным потоком у поверхности крыла, уменьшая лобовое сопротивление и затрудняя переход к турбуленции. При этом важное значение приобретают вопросы компьютерного моделирования ЭГД потока, рассмотренные в диссертационной работе.
Основными преимуществами предложенной системы являются: относительная простота и надежность конструкции, стабильность характеристик, возможность работы в агрессивных средах и сравнительно малые габариты и вес. Применение предложенной системы питания совместно с многоэлектродным плазменным эмиттером позволяет создавать ЭГД потоки с необходимой величиной расхода газа.
Результаты исследований могут быть полезны для инженерных расчётов при создании перспективных ЭГД устройств.
Реализация результатов работы
Результаты диссертационной работы и опытные образцы разработанных на их основе систем формирования электродинамического потока использованы в ФГБУН Российской академии наук: Институте электрофизики и электроэнергетики, Физическом институте имени П.Н. Лебедева, Институте общей физики, Институте автоматики и процессов управления ДВО РАН, ФГУП «Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского», ФГУП НПО «Астрофизика», ООО «Алекс Лаб» и «ПалсЛаб».
Данная система успешно внедрена в комплексной установке для прокачки и предыонизации ArF лазера в ИЭЭ РАН.
Защищаемые положения:
Экспериментально доказано, что при горении высокочастотного (10 — 25 кГц) барьерного разряда в газе, распределённого по поверхности диэлектрика, образуется ЭГД поток со скоростью до 1,6 м/с в направлении внешнего электрического поля, создаваемого между плазменным эмиттером и коллектором при напряжении смещения 10 — 20 кВ.
Результаты расчёта и его экспериментальное подтверждение в одномерной модели распределения электрического поля и концентрации ионов в промежутке между эмиттером и коллектором, а также вольт-амперные зависимости ионного тока и зависимости скорости нейтрального газа от напряжённости внешнего электрического поля.
Получение ЭГД потока с величиной расхода более 11 л/с при скорости до 1,6 м/с с помощью разработанного и созданного устройства, состоящего из плазменного эмиттера ионов на основе барьерного разряда с коаксиальной системой электродов и коллектора ионов в виде сетки, разделённых газовым разрядным промежутком.
Возможность масштабирования величины и площади сечения потока,
предложенного устройства, как за счёт увеличения площади поверхности
отдельного эмиттера ионов, так и путём наращивания числа таких эмиттеров. 8
Вклад автора
Автор лично участвовал в разработке конструкции и создании экспериментальной установки, состоящей из устройства формирования ЭГД-потока при горении высокочастотного барьерного разряда в газе, высоковольтной системы питания установки, а также системы регистрации выходных параметров и сбора экспериментальных данных.
Им были экспериментально исследованы характеристики барьерного разряда в зависимости от напряжения и частоты питания разряда, особенностей конструкции плазменного эмиттера ионов, концентрации частиц при разных полярностях постоянного напряжения смещения.
Автор диссертации принимал непосредственное участие в проведении математического моделирования, аналитического и численного расчета ЭГД процессов и их сравнение с данными экспериментов.
Апробация работы и научные публикации
По теме диссертационной работы автором опубликовано 9 научных работ, из которых 4 в рецензируемых журналах, из списка ВАК.
Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах Института электрофизики и электроэнергетики РАН, а также на следующих международных конференциях: 29th International Congress on Applications of Lasers and Electro-Optics (ICALEO) Anaheim, CA, USA 2010 и 8th International Conference on Nanosciences and Nanotechnologies (NN11), 12-15 July, Thessaloniki, Greece 2011.
Результаты работы удостоены Золотой Медали Российской академии наук для молодых ученых РАН, других учреждений и организаций России 2012 года.
Объем и структура работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Диссертация содержит 130 страниц машинописного текста, 1 таблица, 72 рисунка по тексту и список литературы, который состоит из 121 источников отечественных и зарубежных авторов.
