НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Файл статьи: SE-BMSTU...o066.pdf (1674.88Кб)

УДК 533.9.15

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

В настоящее время, в связи с разработкой новых технологий получения особо чистых веществ, нанопорошков и др., интерес к высокочастотным индукционным (ВЧИ) плазмотронам существенно возрос. При этом, для решения задач связанных с интенсификацией технологических процессов, значительное внимание уделяется изучению сильноточных ВЧИ плазмотронов. Основные параметры плазмы ВЧИ плазмотрона в значительной степени определяются условиями прохождения газа через зону индуктора – зону энерговыделения. Известные данные указывают на образование в этой зоне при определенных условиях специфической газодинамической структуры потока, а именно, возникновение вихревого течения непосредственно перед зоной индуктора. Это приводит к изменению направлений течения плазмообразующего газа и газа (через осевой канал), обеспечивающего транспортировку нагреваемых частиц (при решении различных технологических задач) в зону разряда. В ряде случаев это может приводить к тому, что частицы не попадают в высокотемпературное ядро разряда, а разбрасываются по стенкам плазмотрона или выходят из него, не достигнув требуемой температуры или соответствующего агрегатного состояния.  К настоящему времени систематизированная информация об условиях возникновения и параметрах вихревого течения в канале ВЧИ-плазмотрона практически отсутствует.
Экспериментальные данные о течении плазмы в зоне индуктора получить чрезвычайно затруднительно. Это вызывает необходимость проведения расчетно-теоретических исследований, направленных на изучение структуры потока плазмы в канале ВЧИ-плазмотрона и определения влияния на нее основных конструктивных и энергомощностных параметров технологических ВЧИ-плазмотронов.
В данной работе проведено численное исследование течения плазмы в канале ВЧИ-плазмотрона с осевым направлением подачи газов с целью изучения условиях возникновения и определения параметров вихревого течения в канале ВЧИ-плазмотрона при вариации количества витков индуктора (N=2-5) и амплитуды тока разряда (в диапазоне 50-170A). Численное решение системы уравнений Максвелла и теплообмена выполнено в пакете прикладных программ ANSYS CFX методом конечных объемов.
Показано, что в канале плазмотрона может иметь место образование тороидального вихревого течения с центром приблизительно в сечении первого витка индуктора. Установлено, что возникновение вихревого течения имеет место при превышении тока разряда JК некоторого критического значения, величина J_КР, которого зависит от погонного числа витков индуктора, причем с ростом последнего J_КР падает. Так. для двух виткового индуктора (n=0.33 шт/см) величины критического тока разряда составляет значение 110-120 А, для трех виткового индуктора (n=0.5 шт/см) – (80-90А), для пяти виткового индуктора (n=0.83 шт/см) - 40-50 А.
Показано, что основной причиной формирования вихря является действие радиальной компоненты электромагнитной силы, обуславливающей образование области повышенного давления на оси плазмотрона в срединной зоне индуктора. Взаимодействие набегающих на него потоков плазмообразующего и транспортирующего газов приводит в итоге к образованию тороидального вихря. Определено влияние тока разряда, скорости (расхода) транспортирующего газа через осевой канал и его длины на интенсивность образующейся вихревой трубки.

1. Boulos M.I. The inductively coupled radio frequency plasma // High Temp. Material Processes. 1997. Vol. 1. Pp. 17-39.
2. Новиков И.Н., Кручинин А.М. Обработка мелкодисперсных порошков силиката циркония в струе ВЧИ-плазмотрона // Письма в ЖТФ. 2014. Т. 40. № 29. С. 76-81.
3. Борисов Л.А., Гришин Ю.М., Козлов Н.П. Экспериментальные исследования состава примесей частиц природного кварца в дисперсном плазменном потоке // ТВТ. 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. 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. No. 2. 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. Masterof 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. Colombo V., Ghedini E., Sanibondi P. A three-dimensional investigation of the effects of excitation frequency and sheath gas mixing in an atmospheric-pressure inductively coupled plasma system // Journal of Physics D: Applied Physics. 2010. Vol. 43. No. 10. Pp. 105202. DOI: 10.1088/0022-3727/43/10/105202
11. Bilodeau J.F., Proulx P.A Mathematical Model for Ultrafine Iron Powder Growth in a Thermal Plasma // Aerosol Science and Technology. 2007. Vol. 24. No. 3. Pp. 175-189. DOI: 10.1080/02786829608965362
12. Дресвин С.В. Низкотемпературная плазма. ВЧ и СВЧ плазмотроны. Новосибирск: Наука. 1992. 319 с.
13. Гришин Ю.М., Мяо Лун. Численное моделирование плазмодинамических процессов в технологическом ВЧИ-плазмотроне с газовым охлаждением // Наука и Образование. МГТУ им. Баумана. Электрон. журн. 2016. Vol. 5. С. 104–121. DOI: 10.7463/0516.0840352
14. Морозов А.И. Введение в плазмодинамику. М.: Физиматлит. 2008. 616 с.
15. Белов Г.В. Термодинамическое моделирование: методы, алгоритмы, программы. М.: Научный Мир. 2002. 184 с.
16. Смайт В. Электростатика и электродинамика. М.: Иностранная литература. 1954. 604 с.
17. Борисов А.В., Макеев И.С. Математические методы динамики вихревых структур. Ижевск: Институткомпьютерныхисследований. 2005. 202c.