НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

УДК 533.9.15

1 МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия

Безэлектродные высокочастотные индукционные (ВЧИ) плазмотроны нашли широкое применение в различных областях техники, науки и технологии.   В настоящее время, в связи с разработкой новых технологий получения особо чистых веществ, нанопорошкови др., интерес к индукционной плазме стабильно возрастает. Это вызывает необходимость проведения широкого круга расчетных и экспериментальных исследований, направленных на оптимизацию конструктивных и энергомощностных параметров различных технологических ВЧИ-плазмотронов.
В работе реализована численная модель расчета параметров ВЧИ-плазмотрона с газовым охлаждением. Численное решение системы уравнений Максвелла и теплообмена выполнено в пакете прикладных программ ANSYS CFX (14.5) методом конечных объемов. Использован псевдостационарный подход к решению стационарных задач.
Численное моделирование выполнено для одного из конкретных конструктивных вариантов технологического ВЧИ-плазмотрона с трех-витковым индуктором и с амплитудой тока из диапазона J_k=50-170A (частотой 3 МГц). В качестве плазмообразующего газа рассмотрен аргон. Установлено влияние тока разряда на основные термодинамические параметры (давление, температура) и мощность энерговыделения в зоне разряда. Показано, что плазмотрон может обеспечить генерацию плазменного потока с максимальной температурой около 10 кК и средней осевой скоростью на выходе порядка 10-15 м/с. Определена протяженность плазменного потока со среднемассовой температурой более 4 кК. Установлено, что для обеспечения нормального теплового состояния кварцевых стенок плазмотрона амплитуда тока разряда не должна превышать 150А. Выявлены особенности распределения поля скорости в канале плазмотрона, а именно, образование в сечении первого витка индуктора тороидального вихревого течения. Полученные данные необходимы для расчета динамики нагрева и испарения кварцевых частиц в технологических процессах плазменной переработке кварцевого концентрата на особо чистый кварц и поликристаллический кремний.

1. Boulos M.I. The inductively coupled radio frequency plasma // High Temp. Material Processes. 1997 Vol. 1, pp. 17-39. DOI: 10.1615/HighTempMatProc.v1.i1.20
2. Новиков И.Н., Кручинин А.М. Обработка мелкодисперсных порошков силиката циркония в струе ВЧИ-плазмотрона // Письма в ЖТФ. 2014. Т.40,№ 20. С.17-21.
3. Борисов Л.А., Гришин Ю.М., Козлов Н.П. Экспериментальные исследования состава примесей частиц природного кварца в дисперсном плазменном потоке // Теплофизика высоких температур. 2007. Т. 45, № 5. С. 777–781.
4. Гришин Ю.М., Козлов Н.П., Скрябин А.С. Экспериментальные исследования плазмохимического метода прямого получения кремния из кварца // ТВТ. 2012. № 50, № 4. С. 491–496.
5. Ameya B., Christopher R.P, Steven A.C, Carter С.B. Synthesis of highly oriented, single-crystal silicon nanoparticles in a low-pressure inductively coupled plasma // Journal of Applied Physics. 2003. vol. 94, no.3. pp. 1969–1974. DOI: 10.1063/1.1586957
6. Тимошенков С.П., Прокопьев Е.П., Дьячков С.А., Синтез мелкодисперсных порошков в ВЧИ плазме //Физика и химия обработки материалов. 2002. №5. С. 26-31.
7. Morsli M.E., Proulx P. A chemical non-equilibrium model of an air supersonic ICP // Appl. Phys. 2007. vol. 40. pp.387-394. DOI: 10.1088/0022-3727/40/2/015.
8. Holik. E.F. Simulation results of an inductively-coupled RF plasma torch in two and three dimensions for producing a metal matrix composite for nuclear fuel cladding. Thesis. Master of science. Texas, 2008, 90 p.
9. Sanaz A. E. A modeling framework for the synthesis of carbon nanotubes by RF plasma technology // Thesis. Doctor of Philosophy. Torento, 2013, 184 p.
10. Гришин Ю.М., Козлов Н.П., Скрябин А.С. Эффективность получения кремния из кварца в газоплазменном аргоновом потоке с добавкой водорода // Инженерный журнал: наука и инновации. 2013. № 5. DOI: 10.18698/2308-6033-2013-5-716
11. Смайт В. Электростатика и электродинамика. М.: Иностранная литература, 1954. 604с.
12. Abeele D.V., Degrez G. Similarity analysis for the high-pressure inductively coupled plasma source // Plasma Sources Sci. Technol. 2004, vol.13, pp. 680–690. DOI: 10.1088/0963-0252/13/4/018
13. Белов Г.В. Термодинамическое моделирование: методы, алгоритмы, программы. М.: Научный Мир, 2002. 184 с.
14. Морозов А.И. Введение в плазмодинамику. М.: Физматлит, 2008. 616 с.
15. Дресвина С.В. Низкотемпературная плазма. ВЧ и СВЧ плазмотроны. Новосибирск: Наука, 1992. 319 с.