МЕХАНИКА ЖИДКОСТИ И ГАЗА № 1 • 2009
УДК 533.6.011: 537.52
© 2009 г. В. О. ГЕРМАН, А. П. ЕРШОВ, П. В. КОЗЛОВ, Г. А. ЛЮБИМОВ, О. С. СУРКОНТ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ В МЕЖЭЛЕКТРОДНОМ ПРОСТРАНСТВЕ СВОБОДНОГОРЯЩЕЙ АТМОСФЕРНОЙ ДУГИ
Приводятся результаты исследования распределения концентрации заряженных частиц в межэлектродном пространстве свободногорящей в воздушной атмосфере дуги при токах I~ 50— 100 А с помощью подвижного двойного электрического зонда. Используемые методики и схема позволяют измерять вольт-амперную характеристику зонда за времена ~ 100 мкс, что дает возможность оценить распределение концентраций заряженных частиц в межэлектродном пространстве в течение одного эксперимента. Проведено сопоставление полученных распределений заряженных частиц с распределением областей различного уровня светимости [1, 2]. На основе этого сравнения показано, что характерный поперечный размер области протекания тока в дуге вдали от электродов имеет порядок сантиметра.
Ключевые слова: свободногорящая электрическая дуга, атмосферное давление, метод электрических зондов, концентрации заряженных частиц.
Дуговой разряд с токами I < 100 А, горящий в свободном воздушном пространстве между двумя графитовыми электродами с зазором в единицы сантиметров, обладает нетипичной для классической дуги геометрией зоны светимости [1, 2]. Согласно этим экспериментам, яркий и узкий шнур дугового разряда, понимаемый как единая область протекания тока высокой плотности между электродами, здесь отсутствует. Узкий разрядный канал имеет место только вблизи катода, область свечения вблизи анода значительно шире, а распределение излучения в основном промежутке имеет существенно меньшую интенсивность и нестационарный характер. Динамика поведения разряда изучалась в [1, 2] путем синхронной видеорегистрации разряда в двух взаимно перпендикулярных плоскостях с помощью скоростных видеокамер. Такая съемка позволила построить аксонометрическое изображение светящейся области разряда, которая при горизонтальном расположении электродов имеет сложную, изменяющуюся во времени форму.
Однако скоростная видеорегистрация, давая мгновенную картину распределения интенсивности излучения разряда в целом, не позволяет без дополнительных измерений судить о распределении тока в межэлектродном промежутке, поскольку зона светимости может быть не тождественна зоне проводимости. Для оценки формы и характерных размеров зоны протекания тока в данной работе проведено детальное исследование локальных значений концентрации заряженных частиц в межэлектродном промежутке. С этой целью был применен метод электрических зондов, обладающий высоким временным и пространственным разрешением. Вместе с отдельными измерениями концентрации в приэлектродных областях разряда, по штарковскому ушире-нию линии водорода На, это позволило сопоставить полученные поля концентраций с мгновенными распределениями интенсивности излучения разряда.
1. Методика проведения эксперимента. Исследовалась атмосферная дуга в воздухе при токах ~50—100 А при горизонтальном расположении электродов диаметром 6 мм из силицированного графита. Расстояние между электродами ~3—5 см. Организация
разряда, методики измерения его характеристик и видеовизуализация были такими же, как в [1, 2].
Измерение концентрации заряженных частиц в межэлектродном промежутке производилось подвижным электрическим зондом. Для обеспечения необходимого временного разрешения вольт-амперные характеристики зонда измерялись на переменном токе [3]. При этом частота подаваемого на зонд напряжения смещения выбиралась такой, чтобы реализовывался квазистационарный случай, т.е. характерное время изменения потенциала зонда было много больше, чем наибольшее из характерных времен изменения параметров, определяющих зондовый ток. Тогда вольт-амперные характеристики, измеренные на постоянном и переменном токе, оказываются эквивалентными, и возможно применение той или иной стационарной теории зонда.
На основе проведенных оценок [3] выбраны конструктивные характеристики зонда и параметры схемы зондовых измерений: двойные симметричные цилиндрические зонды диаметром от 0.15 до 0.8 мм, длиной рабочей части ~1—3 мм и расстоянием между зондами ~1.5—3 мм; скорость перемещения зонда в пространстве между электродами не менее 100 см/с, а частота измерения вольт-амперных характеристик ~ 4 кГц. Таким образом, время измерения вольт-амперных характеристик зонда соответствовало полупериоду напряжения смещения «125 мкс, за это время зонд смещался на расстояние не более 0.4 мм, поэтому пространственное разрешение зондовых измерений целиком определялось их размерами и лежало в интервале 1—3 мм (в зависимости от ориентации плоскости двойного зонда относительно направления протекания разрядного тока).
Схема экспериментальной установки приведена на фиг. 1. Зная интервал времени, соответствующий регистрации вольт-амперных характеристик и скорость перемещения зонда, можно найти область пространства, к которой относится данная характеристика. Видеозапись картины разряда позволяет определить положение зонда в момент регистрации данной характеристики по отношению к той или иной области свечения разряда.
Типичные вольт-амперные характеристики зондов представлены на фиг. 2. В условиях измерений имеет место случай ионного тока насыщения, когда, начиная с некоторого значения напряжения, величина зондового тока от него практически не зависит (фиг. 2). Концентрация ионов в области нахождения зонда в момент регистрации вольт-амперных характеристик определялась по значениям ионного тока насыщения ^ согласно [4]
N =-1р-, I* = 0.86(Ре)0'42, Ре = ^ (1.1)
' 2леДХ1*
Здесь L, г[1 — длина и радиус зондов: и — скорость перемещения зонда; е — заряд электрона; Di — коэффициент диффузии ионов. Обоснование выбора формул для расчета концентраций заряженных частиц и характерных значений физических параметров плазмы приведено в [3].
Измеренное таким образом значение концентрации существенным образом зависит от коэффициента диффузии ионов, который определяется, прежде всего, плотностью газа и сортом иона. В приэлектродных зонах дуги на ионный состав плазмы могут сильно влиять пары материала электродов, однако в исследуемом межэлектродном промежутке состав ближе к воздушной плазме, поэтому в расчетах коэффициент диффузии ионов полагался равным Di ~ 40 см2/с, что соответствует плазме воздуха при температуре Т = 6000 К. Принимая во внимание, что на ионный ток влияет целый ряд факторов [3], не учитываемых формулой (1.1), такое приближение является приемлемым.
©
Фиг. 1. Схема экспериментальной установки: 1 — графитовые электроды, 2 — керамические втулки, 3 — межэлектродный промежуток, 4 — зонд, 5 — высокоомный прецизионный потенциометр, 6 — электропривод, 7 — шкив, 8 — пружина, 9—11 — контакты потенциометра, 12 — видеокамера
^ мА 10
2
о оо оо аэ ото оозю о ю о* о
-20
-10^« 0
10 20 V, В
о ооооо-
СХСЭ О/ \ о
—10
"--20
Фиг. 2. Вольт-амперные характеристики, измеренные для случаев: 1 — когда плоскость электродов зонда параллельна оси соединяющей электроды и отстоит на расстоянии ка = 5 мм от анода, диаметр зондов 2гр = 0.8 мм, длина зондов I = 2.5 мм, расстояние между зондами Ь = 3 мм, I = 50 А; 2 — плоскость электродов перпендикулярна этой оси при ка = 12 мм, 2гр = 0.15 мм, I = 1.4 мм, Ь = 3 мм, I = 100 А
1
2. Обсуждение полученных результатов. Кратко описанное выше зондовое исследование межэлектродной области дугового разряда было предпринято с целью определения конфигурации протекания разряда и сопоставления ее со структурой области светимости.
а
*0> 4#> Л
0.653 с 0.654 с 0.655 с 0.656 с 0.657 с
б
Фиг. 3. Динамика прохождения зонда через разрядный промежуток, видеограмма (а) и осциллограммы (б) зондового тока и скорости движения зонда при ка = 25 мм, 2гр = 0.8 мм, I = 3 мм, Ь = 3 мм, I = 55 А
В качестве примеров, иллюстрирующих связь зондового сигнала с картиной разряда, приведем фиг. 3. По представленным на ней кадрам видеограммы можно проследить траекторию движения зонда. Надо иметь в виду, что съемка проводилась под некоторым углом к оси, соединяющей электроды. На фиг. 3 приведены зависимости от времени скорости движения зонда и ионного тока насыщения на зонд I . Так как ток на зонд пропорционален концентрации заряженных частиц, то соответствующая кривая отражает зависимость от времени концентрации частиц вблизи зонда. Скорость зонда вычисляется по измеренной зависимости угловой скорости движения зонда от времени. Зная скорость зонда и время между характерными точками кривой 1рф, легко оценить пространственную протяженность областей разряда, характеризующихся разным уровнем концентрации заряженных частиц. Обратим внимание на темные пятна внутри яркой области светимости у анода (правый электрод на видеограмме). Эти области, яркость в которых приводит к "засветке" пикселей матрицы приемной видеокамеры, соответствуют анодным пятнам на поверхности анода.
Так как форма разряда неустойчива и изменяется от опыта к опыту и в течение опыта, а положения плоскости, в которой движется зонд, и длина зонда фиксированы, то заранее не известно, в какой части светящейся области разряда пройдет зонд в данном эксперименте.
В ситуации, изображенной на фиг. 3, зонд пересекает светящуюся область разряда вблизи конца яркого катодного шнура. При этом на зондовой кривой 1р(() возникает максимум, соответствующий концентрации ионов N ~ 1014 см-3 и пространственной протяженностью А ~ 0.001 с • 280 см/с ~ 0.28 см. При оценке концентрации следует учесть, что это область с очень высоким градиентом концентрации, а значения тока двойного зонда всегда определяются тем зондом, который находится в зоне с наименьшим значением N. Кроме того, при концентрациях N > 1013 см-3 величину зондо-
а
0.642 с 0.644 с 0.646 с 0.648 с 0.650 с
Фиг. 4. Тоже, что и на фиг. 3 ha = 12 мм, I = 53 А
вого тока занижает рекомбинация заряженных частиц. Поэтому истинная концентрация ионов будет выше.
Эта область высокой концентрации окружена областью, характерный размер кот
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.