Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время дуговые плазмотроны широко используются в различных областях науки и техники, а также для решения новых электротехнологических задач. Круг плазменно-термических процессов, включающих их применение, все время увеличивается. Так, большой экономический эффект дает использование плазмотронов на теплоэлектростанциях для розжига пылеугольных котлов. Активно ведутся исследования по использованию плазмотронов в технологиях по переработке техногенных отходов. В силу этого типы используемых установок (аппаратов), их мощности, а также режимы эксплуатации отличаются большим многообразием. Все это делает актуальным совершенствование существующих и разработку новых конструкций плазмотронов. Среди отечественных исследователей, работающих в этом направлении, необходимо выделить ученых школы М.Ф. Жукова, Крыловича В.И., Урюкова Б.И. Ясько О.И., Шараховского Л.И., среди зарубежных Тєбіє Ph., Leblanc T., Chabrerie J.P., Marotta A., Ecker G. и др.
Одной из важнейших технологических характеристик, определяющих эффективность плазмотронов, является ресурс непрерывной работы электродов. В процессе работы плазмотрона происходит циклическое перемещение опорного пятна дугового разряда по поверхности электрода, а в месте его нахождения происходит нагрев металла, сопровождающийся плавлением и испарением. Наряду с этим возникают существенные неоднородности теплового поля, приводящие к большим термонапряжениям в теле электрода. Скорость разрушения электродов зависит от многих факторов - используемого материала, условий охлаждения, давления в разрядной камере, но в немалой степени, и от режима движения пятна дуги. Поэтому теоретическое и экспериментальное исследование физико-механических процессов в материале электрода плазмотрона, направленное на повышение длительности их работы, является актуальной задачей.
Как и во многих технологических процессах, результаты экспериментальных исследований описывают только часть происходящих явлений. Это делает актуальным использование аппарата численного моделирования при анализе многофакторных режимов эрозии электродов. Такой подход к исследованию фундаментальных процессов позволяет установить их основные механизмы, определить общие закономерности, исходя из которых, можно выбирать как оптимальные режимы эксплуатации действующих, так и конструкции новых разрабатываемых плазмотронов.
В настоящее время в литературе предлагается ряд теоретических и экспериментальных методов для анализа влияния скорости движение пятна дуги на процесс разрушения электрода. Но степень достоверности полученных результатов зависит от точности и совершенства измерительной аппаратуры, адекватности физико-математических моделей и используемых численных алгоритмов их реализации. Так, в качестве основной физической причины разрушения плазмотронов обычно рассматриваются процессы плавления и испарения. Действительно, роль этих процессов немаловажна. Однако при воздействии пятна дуги в материале электрода возникают большие тепловые градиенты, способные формировать значительные термонапряжения. Но в широко распространенных моделях это эффект либо не учитывается, либо оценивается только качественно, либо как самостоятельная причина разрушения.
Целью диссертационной работы является создание моделей процессов, происходящих в электроде плазмотрона под воздействием пятна дугового разряда, и нахождение методом численного моделирования оптимальных режимов его работы. В частности:
построение математических моделей, учитывающих действие процессов плавления, испарения и термонапряжений как совокупных механизмов разрушения электрода плазмотрона;
подтверждение адекватности предлагаемых моделей сравнением получаемых результатов с существующими экспериментальными данными и оценка роли термонапряжений на процесс разрушения электрода;
численное исследование на основе разработанных моделей процессов в электроде для наиболее широко распространенных режимов работы плазмотрона;
анализ режимов работы плазмотрона и определение наиболее оптимальных, исходя из возникающих термонапряжений в электроде.
Научная новизна проведенных исследований состоит в следующем.
-
-
Созданы новые физические и математические (одномерные и трехмерные) нестационарные модели и вычислительные коды для расчета температурных полей и термонапряжений в трубчатом электроде плазмотрона в области опорного пятна дуги, учитывающие процессы плавления, испарения и температурную зависимость теплофизических свойств материала.
-
Проведен численный расчет температурных полей в цилиндрическом электроде плазмотрона при нестационарном воздействии пятна дуги и плотностях теплового потока, вызывающих плавление и испарение материала.
-
Впервые установлены параметры режимов работы плазмотронов, приводящие к различным фазовым состояниям материала электрода в следе пятна дуги.
-
Впервые установлены интервалы режимов работы плазмотронов, приводящие к образованию зон с критическими значениями термических напряжений, вызывающих эрозию и разрушение материала электрода.
Практическая значимость
Создан пакет программ, позволяющий прогнозировать процесс эрозии трубчатых электродов дуговых плазмотронов с учетом совместного влияния термонапряжений, плавления и испарения.
Определены критические значения величины теплового потока, вызывающие наличие постоянного расплавленного слоя в следе пятна дуги и подплавления и последующего затвердевания материала.
Установлены режимы работы плазмотрона, которые приводят к существенному росту эрозионных процессов и растрескиванию материала электродов.
Полученные результаты могут быть использованы при разработке и оптимизации режимов работы электродуговых плазмотронов.
Достоверность. Достоверность полученных результатов и выводов диссертации обоснована использованием апробированных численных методов, тестированием компьютерных программ на известных задачах, исследованием сходимости и устойчивости численной схемы и пределов применимости моделей, а также согласованием результатов исследований и выводов с известными экспериментальными данными.
На защиту выносятся
-
-
-
Физико-математические модели и расчетные коды тепловых процессов в электроде плазмотрона при воздействии опорного пятна дуги, учитывающие плавление, испарение материала и температурную зависимость теплофизических свойств.
-
Результаты численного моделирования тепловых процессов в материале трубчатого электрода плазмотрона при воздействии дугового пятна, границы применимости моделей, а также величины градиентов температуры и зон термического влияния пятна дуги.
-
Условия реализации режимов работы плазмотрона при наличии постоянного расплавленного слоя в следе пятна дуги; подплавления и последующего затвердевания материала; разогрева его до температур ниже температуры плавления.
-
Модель, описывающая термонапряженное состояние электрода при воздействии пятна дуги. Условие возникновения областей с критическими значениями термических напряжений, вызывающих интенсификацию эрозионных процессов и разрушение материала.
Личный вклад. Результаты, представленные в диссертации, получены лично автором либо при его непосредственном участии. Автор диссертации участвовал в постановке задач, решаемых в диссертационной работе, а так же в разработке математических моделей, рассматриваемых процессов. Ею разработаны компьютерные программы для численного моделирования воздействия пятна дуги на материал электрода плазмотрона, проведены численные эксперименты, получены оригинальные результаты моделирования. Интерпретация полученных данных результатов проведена автором совместно с научным руководителем и соавторами по публикациям.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях и семинарах: Всероссийской научно- практической конференции «Теплофизические основы энергетических технологий» (Томск, 2011); Всероссийской научной конференции «Современные проблемы термодинамики и теплофизики» (Новосибирск, 2009); Всероссийской конференции «Деформирование и разрушение структурно- неоднородных сред и конструкций» (Новосибирск, 2006); XXX Summer School «Advanced Problems in Mechanics» (St. Peterburg, 2002); V, VI, VII Всероссийских конференциях молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Новосибирск, 1998, 2000, 2002); 6th Russian - Korean I^er^tiona! Symposium on Science and technology, Korus-2002 (Novosibirsk, 2002); XXVI Сибирском теплофизическом семинаре (Новосибирск, 2002); II Международном научно-техническом семинаре «Нетрадиционные технологии в строительстве» (Томск, 2001); II Всероссийской конференции молодых ученых «Физическая мезомеханика материалов» (Томск, 1999).
Публикации. По результатам работы опубликовано 16 работ, в том числе, 3 в журналах из перечня ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы из 108 наименований. Материал изложен на 102 страницах, 40 рисунках и 2 таблицах.
Похожие диссертации на Термомеханические процессы в материале электрода плазмотрона
-
-
-
