работа диссерт. Разработка дугового плазмотрона для нанесения покрытий с учетом явлений неустойчивости плазменного потока
 Скачать 5.34 Mb.
|
|
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого» На правах рукописи Мурашов Юрий Васильевич РАЗРАБОТКА ДУГОВОГО ПЛАЗМОТРОНА ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ С УЧЕТОМ ЯВЛЕНИЙ НЕУСТОЙЧИВОСТИ ПЛАЗМЕННОГО ПОТОКА Специальность 05.09.10 – Электротехнология ДИССЕРТАЦИЯ на соискание учёной степени кандидата технических наук Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Фролов В. Я. Санкт-Петербург – 2016 2 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................................ 5 ГЛАВА 1. Анализ состояния современных теории и практики технологии плазмотермического нанесения покрытий ........................................................................................................... 13 1.1 Возникновение турбулентности в потоках термической плазмы ........................................................................................................... 16 1.2 Методы стабилизации плазменного потока .......................................... 20 1.3 Характеристики плазмотрона ПН-В1 .................................................... 22 1.4 Выводы и постановка задачи исследования ......................................... 26 ГЛАВА 2. Разработка математической модели с раздельным алгоритмом решения уравнений описывающих работу дугового плазмотрона с осевой и вихревой стабилизациями плазменного потока .......................................................................................... 28 2.1 Постановка задачи и основные уравнения математической модели плазмотрона ......................................................... 29 2.2 Дифференциальные уравнения и алгоритмы решения в среде Comsol Multiphysics ............................................................................ 31 2.3 Дискретизация расчетной области для численного моделирования плазмотрона ....................................................................... 34 2.4 Обоснование выбора свойств воздушной плазмы ................................ 34 2.5 Математическая модель дугового плазмотрона с осевой подачей плазмообразующего газа ................................................... 38 2.6 Результаты численного моделирования работы дугового плазмотрона с осевой подачей плазмообразующего газа .............................................................................. 40 3 2.7 Моделирование вихревой стабилизации дугового плазмотрона в прикатодной области ........................................................... 47 2.8 Математическая модель дугового плазмотрона с вихревой стабилизацией столба электрической дуги и струи плазменного потока ........................................................................... 52 2.9 Теплообменные процессы в струе плазмы дугового плазмотрона у поверхности частицы при ламинарном и турбулентном потоках ................................................................................. 56 2.10 Выводы по главе ................................................................................... 64 ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования режимов работы плазмотрона ПН-В1 ............................................................................. 67 3.1 Разработка методики проведения экспериментальных исследований ................................................................................................ 67 3.2 Методика обработки результатов экспериментального исследования ................................................................................................ 75 3.3 Результаты экспериментальных исследований .................................... 78 3.4 Спектроскопический анализ плазмотрона ПН-В1 ................................ 82 3.5 Выводы по главе ..................................................................................... 86 ГЛАВА 4. Сравнительный анализ результатов численного моделирования и экспериментального исследования дугового плазмотрона с межэлектродными вставками .................................. 87 4.1 Верификация математической модели по характеристики напряжения на дуге ........................................................... 87 4.2 Верификация математической модели по результатам спектрального анализа ................................................................................. 88 4.3 Выводы по главе ..................................................................................... 92 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................ 93 4 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ................................................................................ 96 Приложение 1. FFT анализ (MATLAB) ........................................................ 104 Приложение 2. Паспортные данные платформы Arduino Mega 2560 ....................................................................................................... 108 5 ВВЕДЕНИЕ Актуальность темы диссертации. Применение устройств, генерирующих низкотемпературную плазму, получило широкое распространение в промышленности. Основными примерами применения дугового разряда являются плазменное напыление, дуговая сварка и плазменная резка металлов, где в качестве рабочего инструмента используется плазменный поток, генерируемый плазмотроном. Технология плазменного напыления заключается в плавлении напыляемого материала в плазменном потоке для нанесения на рабочую поверхность и используется для нанесения восстанавливающих, жаростойких, антикоррозийных, износостойких и антифрикционных покрытий. Основными критериями качества напыляемого покрытия являются пористость и адгезия. Эффективность технологии плазменного напыления и качество наносимого покрытия зависят от свойств наносимых материалов и характеристик плазменного потока. Именно поэтому главной технологической задачей при разработке новых конструкций плазмотронов для напыления является получение оптимальных параметров плазменного потока и режимов работы плазмотрона, обеспечивающих эффективность технологического процесса, качество наносимого покрытия и высокий рабочий ресурс конструктивных элементов плазмотрона. Научные исследования, направленные на повышение эффективности технологии плазменного напыления, проводятся во всем мире, при этом можно выявить основные школы, разрабатывающие теории физических процессов низкотемпературной плазмы. В Российской Федерации выделяются Новосибирская школа, где становление основ экспериментальных исследований электродуговых генераторов плазмы осуществлялось действительным членом РАН Жуковым М.Ф., Московская школа, возглавляемая академиком РАН Цветковым Ю.В., и школа Санкт-Петербургского политехнического университета (СПбПУ), где у истоков стоял Клубникин В.С. Московская школа сосредоточена на вопросах плазмохимии и материаловедения в технологии плазменного напыления. 6 Новосибирская школа рассматривает общие вопросы газовой динамики и базируется на экспериментальных исследованиях плазмогенерирующих устройств, решая прикладные задачи. Современные программные продукты позволяют осуществлять численное моделирование физических процессов в плазмотроне, тем самым снижая затраты и время при проектировании новых типов устройств для технологии плазменного напыления, а также дают возможность оптимизации геометрии и характеристик плазмотрона, позволяя отойти от эмпирического характера разработки. Математическое моделирование и экспериментальные исследования легли в основу школы СПбПУ. Школа СПбПУ, ныне возглавляемая Фроловым В.Я., на протяжении последних 40 лет занимается разработкой высокотехнологичного оборудования для технологического процесса напыления (разработано более сотни технологий в области плазмотермического нанесения покрытий), осуществляя сотрудничество с INP Greifswald (Германия) на протяжении многих лет, проводя совместные экспериментальные исследования. Комплексный подход в изучении плазменных технологий школы СПбПУ, включающий в себя как экспериментальные, так и теоретические исследования (в том числе численные методы) позволил стать признанным в мире центром по разработке, исследованию и численному моделированию плазмотронов, плазменных технологий и процессов. Исследованию явлений неустойчивости плазменного потока и разработке дугового плазмотрона для нанесения покрытий и посвящена настоящая диссертация. Цель и задачи диссертационной работы. Целью диссертационной работы является разработка дугового плазмотрона для нанесения покрытий с учетом явлений неустойчивости плазменного потока с установлением закономерности турбулизации потока на участках конструкции плазмогенерирующего устройства. 7 Задачи исследований 1. Анализ состояния современных теории и практики технологии плазменного нанесения покрытий. 2. Анализ физических явлений неустойчивости плазменного потока на стадиях генерирования плазмы. 3. Анализ явлений неустойчивости плазменного потока на выходе плазмотрона с учетом турбулизации генерируемого потока плазмы. 4. Разработка нестационарной математической модели дугового плазмотрона с осевой подачей плазмообразующего газа. 5. Разработка нестационарной математической модели дугового плазмотрона с вихревой стабилизацией. 6. Исследование устойчивости плазменного потока. 7. Экспериментальные исследования дугового плазмотрона с межэлектродными вставками для нанесения покрытий. Научная новизна 1. Разработаны нестационарные математические модели дугового плазмотрона с межэлектродными вставками для нанесения покрытий с осевой подачей плазмообразующего газа и с вихревой стабилизацией электрической дуги в канале плазмотрона с учетом явлений неустойчивости плазменного потока в программном продукте Comsol Multiphysics. 2. Разработана трехмерная нестационарная математическая модель формирования вихревой подачи газа в катодном узле плазмотрона, получены полиномиальные зависимости распределения составляющих скорости на выходе катодного узла в программном продукте Comsol Multiphysics. 3. Разработана математическая модель теплообменных процессов у поверхности частицы в ламинарном и турбулентном течениях. 4. Произведено уточнение критического числа Рейнольдса для существующей конструкции дугового плазмотрона с межэлектродными вставками. 8 Теоретическая значимость работы заключаются в разработке: математических моделей плазмотрона с межэлектродными вставками, позволяющих минимизировать экспериментальные исследования при разработке новых конструкций плазмотронов, обеспечивающих стабильность плазменного потока с целью повышения эффективности процесса плазменного нанесения покрытий; требований к конструкции плазмотрона для обеспечения стабильности плазменного потока и эффективного теплоотведения от элементов плазмотрона с целью повышения эксплуатационного ресурса; требований к характеристикам источника питания, используемых в технологии плазмотермического нанесения покрытий. Объектом исследования является плазмотрон с межэлектродными вставками. Методы исследования. Теоретические исследования основаны на разработке нестационарных математических моделей дугового плазмотрона для нанесения покрытий, осуществления численного моделирования в лицензируемом программном обеспечении Comsol Multiphysics, основанном на использовании метода конечных элементов и анализе полученных результатов. Экспериментальные исследования режимов работы дугового плазмотрона, регистрация данных во времени об основных характеристиках плазмотрона с использованием АЦП при работе от различных источников питания, анализ полученных результатов. Сравнительный анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований. Обоснованность и достоверность научных положений, изложенных в диссертации, базируется на применении общеизвестных положений магнитогазодинамики и термодинамики, методов численного моделирования с привлечением специализированного программного обеспечения для моделирования физических процессов Comsol Multiphysics, основанном на 9 использовании метода конечных элементов, и согласованности результатов теоретических и экспериментальных исследований. Практическая значимость работы заключается в применении результатов при проектировании новых и модернизации существующих установок плазмотермического нанесения покрытий с целью повышения эффективности процесса плазменного нанесения покрытий и увеличения эксплуатационного ресурса применяемого оборудования. Положения, выносимые на защиту: 1. Анализ явлений неустойчивости плазменного потока дугового плазмотрона. 2. Создание нестационарных математических моделей дугового плазмотрона с межэлектродными вставками для нанесения покрытий с осевой подачей плазмообразующего газа и с вихревой стабилизацией электрической дуги в канале плазмотрона в программном продукте Comsol Multiphysics, позволяющих идентифицировать флуктуации плазменного потока. 3. Результаты теоретических исследований влияния геометрии анодной части плазмотрона и характеристик источника питания на стабильность плазменного потока. 4. Методика проведения экспериментальных исследований: принципиальные схемы проведения экспериментальных исследований, идентификация флуктуаций плазменного потока, определение радиального распределения температуры методами спектрального анализа. 5. Сравнение и анализ теоретических и экспериментальных результатов исследований. Апробация работы. Основные результаты работы доложены на следующих научных конференциях: 1. XXI Международная конференция «Physics of Switching Arcs» (Чехия, Нове- Место-на-Мораве,2015). 2. Международная конференция «2016 IEEE NW Russia Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference» (Россия, Санкт-Петербург, 2016). 10 3. XII Международная конференция «Плёнки и покрытия - 2015» (Россия, Санкт- Петербург, 2015). 4. XLII Научный форум с международным участием «Неделя науки СПбПУ» (Россия, Санкт-Петербург, 2013). 5. XLIV Научный форум с международным участием «Неделя науки СПбПУ» (Россия, Санкт-Петербург, 2015). 6. Международная конференция, посвященная 150-летию со дня рождения Михаила Андреевича Шателена. Личный вклад. Автор на всех этапах работы непосредственно участвовал в постановке задачи, разработке математической модели работы дугового плазмотрона, выборе методик расчётов теоретических параметров, разработке схемы экспериментального исследования и методов диагностики, монтаже экспериментального оборудования, разработке алгоритма регистрации данных, обработке результатов численного моделирования и экспериментального исследования, а также формировании выводов по выполненной работе. Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 75 наименований, и двух приложений. Полный объем диссертации – 95 страниц, в том числе рисунков – 75,таблиц – 8. Список публикаций автора по теме диссертации: 1. Murashov I. Numerical simulation of DC air plasma torch modes and plasma jet instability for spraying technology / Frolov V., Ivanov D. // 2016 IEEE NW Russia Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference (EIConRusNW). – 2016. – pp.625-628. (рекомендовано ВАК, индексируется в базе SCOPUS) 2. Мурашов Ю.В. Моделирование вихревой стабилизации дугового плазмотрона. Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. 2016. №2(243). Т. 1. С. 53–61. (рекомендовано ВАК) 11 3. Мурашов Ю.В. Численное моделирование работы дугового воздушного плазмотрона для нанесения покрытий и влияние параметров источника питания на стабильность плазменного потока. / Фролов В.Я., Иванов Д.В. // ЖТФ. (в печати) (рекомендовано ВАК, индексируется в базе SCOPUS) 4. Frolov V. Special aspects of dc air plasma torch’s operating modes under turbulent flow conditions. / Murashov I., Ivanov D. // Proc. 21st Symposium on Physics of Switching Arc (Nové Město na Moravě, Czech Republic, Sept. 7.-11., 2015) Plasma Physics and Technology Journal, Volume 2, pp. 129-133. (рекомендовано ВАК, индексируется в базе SCOPUS) 5. Мурашов Ю.В. Численное моделирование нестационарных процессов в дуговом плазмотроне с межэлектродными вставками / Фролов В.Я., Кадыров А.А. // Неделя Науки СПбГПУ: материалы научно-практической конференции с международным участием. – Санкт-Петербург, 2015. – Часть II. – С. 137–139. 6. Мурашов Ю.В. Исследование неустойчивости и турбулентности потока плазмы в дуговом плазмотроне для нанесения покрытий. / Фролов В.Я. // Неделя науки СПбГПУ: материалы научно-практической конференции с международным участием. – Санкт-Петербург, 2013. – Часть I. – С. 102–104. 7. Мурашов Ю.В. Моделирование тиристорного источника питания с замкнутой системой управления в Simulink. / Смородинов В.В. // Неделя науки СПбГПУ: материалы научно-практической конференции с международным участием. – Санкт-Петербург, 2013. – Часть I. – С. 105–107. 8. Мурашов Ю.В. Описание возможностей платформы arduino.применение в системах промышленной автоматики. / Голобоков А.А., Фролов В.Я. // Неделя науки СПбГПУ: материалы научно-практической конференции с международным участием. – Санкт-Петербург, 2013. – Часть I. – С. 108–110. 9. Фролов В.Я. Особенности режимов работы плазмотронов постоянного тока для нанесения покрытий в условиях турбулизации потока / Иванов Д.В., Мурашов Ю.В. // Пленки и покрытия – 2015: труды 12-й Международной конференции. – Санкт-Петербург, 2015. 12 Список смежных публикаций: 1. Фролов В.Я. Расчет состава плазмы дугового импульсного разряда в мультикамерном разряднике. / Иванов Д.В., Мурашов Ю.В., Сиваев А.Д. // Письма ЖТФ. 2015. Т. 41, в. 7. С. 8-14. 2. Kozakov R. Investigation of a multi-chamber system for lightning protection at overhead power lines. / Khakpour A., Gorchakov S., Uhrlandt D., Ivanov D., Murashov I., Podporkin G., Frolov V. // Proc. 21st Symposium on Physics of Switching Arc (Nové Město na Moravě, Czech Republic, Sept. 7.-11., 2015) Plasma Physics and Technology Journal, Volume 2, pp. 150-154. 3. Frolov V. Mathematical simulation of processes in discharge chamber of multi- chamber system for lightning protection at overhead power lines. / Ivanov D., Murashov I., Sivaev A. // 2016 IEEE NW Russia Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference (EIConRusNW). – 2016. – pp.562-565. 4. Чусов А.Н. Моделирование разряда в мультикамерных системах. / Подпоркин Г.В., Пинчук М.Э., Иванов Д.В., Мурашов Ю.В., Фролов В.Я. // V Российская конференция по молниезащите. Сборник докладов – Санкт-Петербург, 2016. – С. 351-357. 5. Фролов В.Я. Численное моделирование плазменных процессов в разрядной камере мултикамерного разрядника для молниезащиты. / Иванов Д.В., Мурашов Ю.В., Чусов А.Н. // V Российская конференция по молниезащите. Сборник докладов – Санкт-Петербург, 2016. – С. 334-3337. 6. Фролов В.Я. Численное моделирование работы разрядной камеры мультикамерного разрядника для молниезащиты. / Иванов Д.В., Мурашов Ю.В., Чусов А.Н. // Известия РАН. Энергетика (в печати). 13 |