Введение к работе
Актуальность. Снижение материалоемкости и энергоемкости современных технологий требует все более широкого применения концентрированных потоков энергии для обработки материалов. Одним из перспективных концентрированных источников энергии считается низкотемпературная плазма, ухе сейчас нашедшая широкое применение. Во многих плазменных технологиях используется нагрев порошкового материала, распыляемого в горячем газе (плазме). Для разработки и оптимизации таких процессов необходимо математическое моделирование движения потоков газа со взвешенными дисперсными частицами, которое невозможно .без знания закономерностей обмена импульсом и энергией между отдельной конденсированой частицей и газом, на изучение которых и направлены усилия многих исследователей.
В большинстве выполненных до сих пор работ наличие в плазме зарядов, электронов и ионов, никак не учитывалось, что справедливо лишь при малой их концентрации. С повышением температуры, однако, степень ионизации возрастает, появление легких и поэтому подвижных электронов, как показывают оценки, значительно усиливает теплообмен, что представляет большой практический интерес. Поэтому в последнее время интенсивно развивается исследование влияния зарядов на теплообмен и сопротивление частицы в плазме.
Движение зарядов около частицы, а значит и переносимые или потоки импульса и энергии, зависят от экранирующих свойств плазмы, характеризуемых радиусом экранирования Дебая RD. До сих пор изучались лишь предельные случаи сильного и слабого дебаевского экранирования, однако практически не менее важны и промежуточные значения RD. Высокие температуры, а часто и пониженные давления технологической плазмы, увеличивают длины свободных пробегов компонентов плазмы по сравнению с размером частицы настолько, что наиболее распространен свободномолекулярный режим обтекания.
Поэтому цель работы- исследование влияния экранирующих
свойств плазмы на ее взаимодействие с частицей конденсированной фазы в свободномолекулярном режиме.
Методы исследования. Малые пространственные размеры и высокие скорости процессов делают трудноосуществимой экспериментальную регистрацию динамики движения и нагрева отдельной частицы в плазменном потоке, поэтому эксперименты дают в основном лишь ограниченную информацию о конечном состоянии, для интерпретации которой нужна подробная математическая модель. В ряде случаев математическая модель представляет самостоятельную ценность, позволяя прогнозировать поведение изучаемой системы в новых условия^. В настоящей работе выбраны теоретические методы исследования.
Задачи работы. Для выполнения поставленной цели необходимо разработать математические модели: теплообмена частицы с покоящейся двухтемпературной плазмой при произвольном отношении электронной и ионной температур, с учетом термоэлектронной эмиссии; теплообмена и сопротивления частицы в движущейся плазме.
Решив полученные уравнения проанализировать зависимости потоков импульса и энергии между частицей и плазмой от ее экранирующих свойств при различных значениях параметров: отношения электронной и ионной температур, тока термоэлектронной эмиссии, скорости потока.
Получить количественные данные по теплообмену и сопротивлению частицы в плазме в разнообразных условиях, пригодные для последующего практического использования.
Научная новизна работы в том, что впервые проведены расчеты взаимодействия изолированной частиод с плазмой в зависимости от ее экранирующих свойств, потенциал частицы находился из условия баланса зарядов, Впервые при этом учтены термоэлектронная эмиссия и движение частицы относительно плазмы. Впервые проведено сравнение приближения слабого поля, применявшегося до сих пор в пределе сильного дебаевского экранирования, с точным решением и показано, что это приближение сильно занижает тепловой поток.
Автор диссертации защищает:
-
Результати расчетов теплового потока к сферической частице в неподвижной плазме, сделанных в приближении холодных ионов, применимом к неравновесной плазме с малой ионной температурой.
-
Результаты расчетов теплового потока к сферической частице в неподвижной равновесной плазме в приближении моноэнергетичесхих ионов.
-
Результаты расчетов теплового потока к сферической частице в . неподвижной двухтемпературной плазме с произвольным отношением электронной и ионной температур по модели максвелловских ионов.
-
Результаты расчетов теплового потока к сферической частице, эмиттирувдей электроны, в неподвижной двухтемпературной плазме при отрицательном плававшем потенциале частицы.
-
Результаты расчетов теплового потока к сферической ? частице, эмитттирущей электроны, в неподвижной двухтемпературной плазме при положительном плавающем потенциале частицы.
-
Результаты расчетов теплового потока и коэффициента лобового сопротивления сферической частицы в движущейся плазме в приближении холодных ионов, применимом при скоростях потока, значительно превышавдих ионную тепловую скорость.
Научная и практическая значимость работы состоит в том, что расчеты выявили некоторые неизвестные ранее закономерности процессов переноса в плазме в самосогласованном электростатическом поле. Определены точность и границы применимости некоторых широко распространенных приОлияений. Результата расчетов могут быть использованы при разработке и оптимизации новых плазменных технологий.
Апробация работы. Основные результата работы докладыва-. лись и обсуждались на 139 Всесоюзном семинаре "Физика и хшия обработки материалов концентрированными потоками энергии", Москва, 1991 г., 2-nd European Congress on Thermal Plasma Processes, Glf-sur YveUe/Parl8-France,7-9 Sept.1992.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 6 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из пяти глав, заключения, выводов, списка литературы из 59 наименований, трех приложении и содержит 102 страницы основного машинопинописного текста, 34 страницы иллюстраций и 14 страниц приложений.
