ВВЕДЕНИЕ 8
1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 11
1.1 Описание тлеющего разряда 11
1.2 Практические применения тлеющего разряда 17
1.3 Актуальность изучения тлеющего разряда в потоке газа 20
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 21
2.1 Описание лабораторного стенда 21
2.2 Методика проведения экспериментов 24
2.3 Оценочный расчет параметров плазмы положительного столба 30
3. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ 39
3.1 Моделирование температурного поля положительного столба разряда и плазменной
струи на его основе 39
3.2 Моделирование электрического поля плазматрона 43
3.3 Сопоставление результатов моделирования п. 3.1 и 3.2 45
4. ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И
РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ 48
4.1 Инициализация научно-технического исследования 48
4.2 Планирование работ по научно-техническому исследованию 51
4.3 Бюджет научно-технического исследования 55
4.4 Оценка ресурсной и организационной эффективности исследования 58
5. СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ 60
5.1 Производственная безопасность 59
5.2 Экологическая безопасность 65
5.3 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 67
5.4 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 69
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 70
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 71
В настоящее время постоянно растет интерес к применениям плазменных технологий в производственных процессах. Обработка плазмой позволяет получать уникальные свойства изделий. Например, азотирование металлических изделий с использованием плазмы дугового разряда, позволяет значительно продлить срок службы изделий, при этом длительность плазменной обработки существенно меньше, чем при использовании других, например, механических методов.
Существуют различные виды разрядов, которые наиболее широко применяются в технологических процессах. Наибольшее распространение среди стационарных типов разрядов получил дуговой, для которого характерно низкое напряжения горения, в сравнении с тлеющим разрядом, и высокая температура разрядного канала. Впервые дуговой разряд был описан в 1802 году русским учёным В. Петровым в книге «Известие о гальвани-вольтовских опытах посредством огромной батареи, состоявшей из 4200 медных и цинковых кружков». С момента открытия данного типа разряда были проведены многочисленные исследования его свойств и особенностей, что на сегодняшний момент позволяет применять его в различных отраслях науки и техники.
Не меньший интерес представляет тлеющий разряд атмосферного давления. Хотя изначально тлеющий тип разряда был впервые обнаружен при пониженном давлении, горение его в атмосферном давлении расширяет возможности практического применения. Первым ученым, занявшимся детальным изучением газового разряда, был Майкл Фарадей. В период 18311835 годов Фарадей открыл при низких давлениях так называемый тлеющий разряд и установил его слоистую структуру. Для объяснения явления электролиза Фарадей в 1834 году вводит понятие «атома электричества». В 18371838 годах он подробно исследовал различные виды разрядов в газах, изучал разряд при пониженном давлении.
В течение долгого времени ученые во всем мире исследовали тлеющий разряд низкого давления, изучая его свойства, а также особенности горения. Значительный вклад в физику газового разряда внес Таунсенд, введя три коэффициента, характеризующие ионизационные процессы в газе.
В 1980 г. на основе группы газовой электроники под руководством Ю. Д. Королева была создана лаборатория с цель развития работ по импульсным объемным разрядам в газах высокого давления, исследованиям импульсных разрядов в газах, и разработка на этой основе устройств сильноточной электроники. Значительное место в тематике Института занимают работы по исследованию низкотемпературной плазмы газовых разрядов. Результаты цикла исследований воздействия внешнего ионизирующего излучения на процесс развития импульсного разряда высокого давления были зарегистрированы как научное открытие.
Сегодня тематика, связанная с газоразрядной плазмой, успешно развивается по многим направлениях. Заведующий лабораторией низкотемпературной плазмы, профессор Ю. Д. Королев выступает координатором программы «Физика низкотемпературной плазмы» Сибирского отделения РАН.
В 2006 году группой Ю. Д. Королева обнаружена и исследована особая форма нестационарного разряда атмосферного давления в вихревом потоке газа, и создан нестационарный слаботочный плазмотрон на основе таких разрядов.
В настоящее время тлеющий разряд находит широкое применение в различных областях науки и техники. Плазматроны на основе тлеющего разряда, в отличии от дуговых, позволяют получать низкотемпературную плазму, а это открывает новые возможности. Например, низкотемпературная плазма позволяет напрямую воздействовать на полимеры и живые ткани. В работах [5] отмечено, что за счет содержания химически активных частиц в плазменной струе происходит эффективное обеззараживание экспериментальных образцов. Плазменные реакторы на основе слаботочного плазматрона позволяют осуществлять химический синтез в проточном режиме, т.е. когда реагенты (в газовой или паро-газоовой фазе) подаются непрерывно в зону реакции. Применение плазмы тлеющего разряда в системе поддержания горения позволяет регулировать стехиометрические соотношения горючее/окислитель и получить тепловую мощность при сгорании углеводородов на порядок превышающую затрачиваемую электрическую мощность независимо от внешних факторов .
Для того, чтобы иметь представление о процессах, происходящих при взаимодействии газоразрядной плазмы и плазменной струи с веществом, необходимо знать не только состав плазмы, образующейся при горении тлеющего разряда в потоке газа, но и происходящие в ней плазмохимические реакции.
В данной работе представлены результаты практического и теоретического исследования контрагированного плазменного столба тлеющего разряда в потоке воздуха при атмосферном давлении, а также плазменной струи на его основе.
В рамках экспериментально-практической части работы определены геометрические размеры плазменного столба и области отрицательного свечения тлеющего разряда в потоке воздуха при атмосферном давлении. Установлена зависимость геометрии различных областей тлеющего разряда при вариации разрядного тока в широких пределах.
Теоретическая часть работы базируется на анализе данных, полученных в результате интерпретации осциллограмм тока и напряжения горения разряда совместно с высокоскоростной фотографией. С использованием полученных результатов оценены концентрации заряженных частиц в плазме.
С использованием компьютерного моделирования в пакете программ COMSOL Multiphysics определены картины электрического поля в нестационарном плазмотроне. Эти данные позволили определить в плазматроне области, в которых наиболее вероятно протекание электрических токов и формирование искрового пробоя.
Целью данной ВКР является изучение скользящего тлеющего разряда в потоке воздуха атмосферного давлении и плазменных струй, получаемых на основе этих разрядов. Результатами работы являются оценочный расчет параметров плазмы положительного столба тлеющего разряда, а также компьютерная модель электростатического и теплового полей слаботочного плазматрона.
Освоен пакет программ COMSOL Multiphysics применительно к построению моделей теплового и электрического полей. Смоделированы тепловые поля коаксиального плазматрона и положительного столба разряда.
В рамках теоретической части выявлены характерные особенности тлеющего разряда и установлено его место относительно других типов разряда. Проведенный литературный обзор и анализ текущих исследований и практического применения рассматриваемого типа разряда, свидетельствуют о том, что существует необходимость дальнейших фундаментальных исследований физики газоразрядной плазмы.
В экспериментально части представлены данные по измерению параметров разряда, результаты компьютерного моделирования, а также результат анализа данных, полученных в ходе моделирования.
Проведенный анализ научно-технического уровня исследования, в рамках раздела «финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение», показал, что исследование имеет высокую значимость не только для теоретических исследований, но и для прикладных областей плазменной техники, однако не используется в широком спектре отраслей.
В рамках раздела «социальная ответственность» определены опасные и вредные факторы, имеющие место в работе с лабораторным стендом. Разработаны профилактические меры по предотвращению чрезвычайных ситуаций при работе со стендом, а также необходимые меры безопасности.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
