ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2015, том 53, № 4, с. 589-595
УДК 536.24+537.525
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ И ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В КОАКСИАЛЬНЫХ ЭКСИЛАМПАХ БАРЬЕРНОГО РАЗРЯДА
© 2015 г. Э. А. Соснин1, 2, А. Н. Корзенев3, С. М. Авдеев1, 2, Д. К. Волкинд4, Г. С. Новаковский4, В. Ф. Тарасенко1
Национальный исследовательский Томский государственный университет 2Институт сильноточной электроники СО РАН, г. Томск 3Российский федеральный ядерный центр, Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики, г. Саров 4ГК "Делкам-Урал — ПЛМУрал", г. Екатеринбург E-mail: badik@loi.hcei.tsc.ru Поступила в редакцию 24.03.2014 г.
Проведено численное моделирование тепловых и газодинамических процессов в коаксиальных эк-силампах барьерного разряда, и обоснованы условия его применения. Результаты расчетов сравнивались с экспериментом, в котором исследована динамика разогрева KrCl-эксилампы барьерного разряда на смесях Kr : Cl2 = (400—50) : 1 при общих давлениях от 100 до 300 Тор. Сравнение показало применимость выбранного метода и сделанных допущений в расчетной модели. Сделаны практически важные прогнозы о режимах эксплуатации эксиламп, обеспечивающих их высокие сроки службы.
DOI: 10.7868/S0040364415030175
ВВЕДЕНИЕ
Эксилампы — это источники спонтанного ультрафиолетового (УФ) и/или вакуумного ультрафиолетового излучения, излучающие за счет распада эксимерных и эксиплексных молекул. В настоящее время эксилампы (в зарубежной литературе — excimer and exciplex lamps) находят все большее применение в различных областях науки и техники [1—3]. Самыми распространенными являются коаксиальные эксилампы барьерного разряда (БР), что обусловлено сравнительной простотой конструкции, а также их оптическими и ресурсными параметрами. Эксплуатационные характеристики эксиламп зависят от состава газовой смеси, условий возбуждения и температурного режима прибора. Для исследования и оптимизации процессов, протекающих в эксилампах БР, традиционно применяются три подхода:
1) оптический, с акцентом на регистрацию и интерпретацию спектральных и энергетических параметров излучения [4—6];
2) электрофизический, в котором моделью лампы служит эквивалентная электрическая схема, а объектом внимания являются величины тока и напряжения в системе [7];
3) плазмохимический, где основное внимание уделяется кинетике процессов в плазме, формирующейся в разрядном промежутке [8].
Эти подходы, как правило, дополняют друг друга и позволяют получать ценную информацию о режимах работы эксилампы. В работах [2, 9—12] показано, что для построения полной картины процессов диссипации энергии в газоразрядном приборе помимо ставших традиционными методологических средств можно использовать средства термодинамики и акустики.
Цель настоящей работы — выяснить эффективность и целесообразность использования методов численного моделирования тепловых и газодинамических процессов для решения задачи оптимизации конструкции эксилампы и анализа ее ресурса. Авторам известна только одна работа в этом направлении [13], но она посвящена оптимизации фотореактора на основе эксиламп, а не самой эксилампы. В работе также сделано сравнение результатов моделирования (с помощью коммерческого программного продукта ANSYS CFX [14], предназначенного для решения задач гидрогазодинамики и теплообмена) и данных измерений.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ
Эксперименты проводились на установке, представленной на рис. 1. Колба лампы барьерного разряда 1 имела коаксиальную конструкцию и была выполнена из кварцевых трубок марки ТКг
Рис. 1. Конструкция лампы: 1 — колба, 2 — перфорированный электрод, 3 — сплошной электрод, 4 — разрядный промежуток, 5 — импульсный источник питания; стрелками показано направление выхода излучения.
(ООО "Технокварц") диаметрами 2.2 и 4.2 см. Перфорированный электрод 2 сделан из проволоки и имеет пропускание 86%. Рабочая длина колбы z составляет 14 см. Сплошной электрод-отражатель 3 изготовлен из алюминиево-магниевой фольги. Возбуждение газовой среды в колбе между кварцевыми стенками осуществлялось от генератора импульсов напряжения, имеющих форму меандра, амплитуду до 5 кВ и длительность 1.5 мкс. Частота следования импульсов f составляла 97 кГц. При подаче на электроды импульсного напряжения в газовом промежутке 4 развивается барьерный разряд.
Газовой средой служила смесь газов Kr и Cl2 в соотношении массовых долей (400—50) : 1 при общих давлениях от 100 до 300 Тор. Смесь напускалась в колбы от газового пульта (на рис. 1 не показан). В этих условиях в барьерном разряде формируются эксиплексные молекулы KrCl*. Большая часть вводимой в систему мощности расходуется на нагрев (от 85 до 95%), а остальная часть — это УФ-излучение B — Х-переходов молекулы KrCl* с максимумом на X ~ 222 нм и суммы слабых полос C— A (240 нм), D — A (235 нм) с пренебрежимо малой интенсивностью в данных условиях [1—3].
В ходе работы в точках А и B (рис. 1) прецизионным измерителем температуры Fluke 576 измерялась величина нагрева внешней поверхности колбы в центре и на концевике. Измеритель предназначен для регистрации температур в диапазоне от —30 до 900°C с точностью ±2°C.
Вводимая в колбу мощность определялась по зарегистрированным на осциллографе TDS 224 (Tektronics 1пс.) осциллограммам тока и напряжения. Регистрация производилась с помощью шунта и делителя напряжения (коэффициент деления — 1100).
МОДЕЛИРОВАНИЕ
Постановка задачи и допущения. Модель лампы в тепловых расчетах включала кварцевую колбу, внутреннее пространство лампы, заполненное
газовой смесью, а также внешнее воздушное пространство вокруг лампы радиусом г = 100 мм. При больших величинах г, как показало моделирование, средняя и максимальная температуры на внутренней поверхности колбы меняются не более чем на 1%.
Такая постановка задачи избавляет от необходимости приближенного расчета коэффициента теплоотдачи от внешней поверхности колбы, а также позволяет учесть эффекты преломления и френелевского отражения при трассировке фотонов. Модель имела осевую симметрию геометрии и зеркальную симметрию ожидаемого поля течения при естественной конвекции. Поэтому расчетная область была представлена 180-градусным сегментом с плоскостью симметрии. Конструкции отражателя, внешнего электрода и корпуса лампы в термодинамическом расчете не учитывались.
Кроме того, в модели введено дополнительное допущение о том, что среда в лампе состоит только из криптона на основании двух соображений:
а) в работе не ставилась цель смоделировать эволюцию компонентов смеси в процессе работы лампы;
б) влияние столь небольшого количества молекулярного хлора в смеси на тепловые и газодинамические процессы в лампе незначительно.
Поскольку период разряда на несколько порядков меньше характерного масштаба времени процессов теплообмена, протекающих в лампе, мощность разряда задавалась постоянной величиной. В расчете рассеиваемая мощность полагалась равной 46.7 Вт, при которой, как показал эксперимент, в смеси Кг : С12 = 200 : 1 достигается наибольшая эффективность излучения (~10%).
Мощность разряда задавалась для объема криптона, ограниченного в осевом направлении габаритами электродов. Распределение мощности разряда между объемными источниками тепловыделения и ультрафиолетового излучения, согласно данным эксперимента [15], задавалось в соотношении 9 : 1 соответственно. Кроме этого, учитывалась наблюдаемая в эксперименте радиальная неравномерность удельной мощности барьерного разряда умножением осредненного значения мощности на коэффициент к = (Явнутр + + ЛНар)/2г, где Явнутр, Янар - радиусы внутренней и внешней трубок, г — текущий радиус (Явнутр < г <
< Янар).
Для учета спектральной неравномерности излучения использовалось двухполосное представление спектра излучения. Первая полоса (210—270 нм) соответствовала узкополосному УФ-излучению В—Х-переходов [16], вторая (270.001 нм—0.01 м) — остальной части спектра, в том числе тепловому излучению.
Коэффициент поглощения излучающей смеси представлял собой ступенчатую функцию от длины волны, равную 2 м-1 в диапазоне 210—270 нм и нулю в остальной части спектра. Из-за отсутствия экспериментальных данных значение коэффициента поглощения было задано приблизительно. Тем не менее это не оказывает заметного влияния на получаемое в результате расчета температурное поле. Поскольку в отсутствие возбуждения барьерным разрядом среда в колбе представляет собой смесь одно- и двухатомных газов, за пределами разрядного промежутка коэффициент поглощения смеси обращается в ноль.
Окружающий воздух принят в расчетах абсолютно прозрачной средой, и распределение интенсивности излучения в воздушной области не моделировалось ввиду отсутствия его влияния на температурное поле.
Сеточная модель. Для дискретизации расчетной области применялась гексагональная сетка, построенная блочным методом (рис. 2а). Для проверки сеточной сходимости расчетной модели исследовалось изменение температуры в нескольких точках в зависимости от количества элементов в радиальном направлении. С целью экономии вычислительных ресурсов данное исследование производилось на упрощенной модели, соответствующей бесконечно протяженной в осевом направлении горизонтально расположенной лампе (рис. 2б). В результате проведения серии расчетов установлены необходимые параметры сеточного разрешения: высота пристеночной ячейки, количество элементов в направлении окружности, темп роста элементов в направлении нормали к стенке. Размерность сеточной модели, соответствующей этим параметрам, составила 1137040 узлов.
Физические модели. Оценка числа Кнудсена (Кп < 0.1) позволила рассматривать рабочую среду лампы при давлении 50 Тор как сплошную. С учетом этого течение с теплообменом моделировалось при помощи численного решения нестационарных уравнений Навье—Стокса, сплошности и энергии для сжимаемой среды, а также уравнения Фурье для твердотельной области. В качестве уравнения состояния использовалось уравнение идеального газа. Пространственная ориентации лампы определялась задаваемым направлением ускоре
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.