научная статья по теме ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ФИКТИВНЫХ ОБЛАСТЕЙ ДЛЯ РАСЧЕТА ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ Физика

Текст научной статьи на тему «ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ФИКТИВНЫХ ОБЛАСТЕЙ ДЛЯ РАСЧЕТА ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ»

ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2004, том 42, № 3, с. 374-382

УДК 537.523

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ФИКТИВНЫХ ОБЛАСТЕЙ ДЛЯ РАСЧЕТА ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ

© 2004 г. Р. М. Урусов, Т. Э. Урусова

Институт информатики и информационных технологий, г. Бишкек Поступила в редакцию 04.04.2003 г.

Рассматривается возможность применения метода фиктивных областей для расчета характеристик электрической дуги в многосвязной области. Анализ полученных результатов свидетельствует о правомерности применения указанного метода.

ВВЕДЕНИЕ

Используемые на практике конструкции электродуговых устройств являются в большинстве случаев многосвязной областью, элементы которой могут иметь весьма сложную форму. Численное исследование характеристик в таких случаях сопряжено с большими трудностями, в частности с построением разностной сетки и разностной аппроксимацией граничных условий вблизи криволинейных границ элементов таких конструкций. По этой причине при численном анализе в большинстве случаев используется прямоугольная расчетная область, которая не включает в себя электроды и элементы конструкций с криволинейной границей, а содержит только область столба дуги (см., например, [1-3]). Несколько лучше обстоит дело, когда электроды и элементы конструкций имеют прямоугольные границы, совпадающие с сеточными линиями, однако класс таких задач весьма ограничен [4-6].

Как один из методов преодоления подобных трудностей в вычислительной гидродинамике широко используется метод фиктивных областей. Следуя монографии [7], вкратце изложим сущность метода. Рассмотрим, например, открытую электрическую дугу (рис. 1) с произвольным образом затупленным катодом (-) и анодом (+), имеющим углубление произвольной формы. В данном случае катод занимает область Ок с границей ук, анод - область Оа с границей уа и столб дуги находится в области Од с границей уд (штриховая линия на рис. 1), отстоящей от границ электродов на один сеточный шаг. Далее Од, в которой ищется решение исходной краевой задачи, помещена вместе с Оа и Ок в область О, являющуюся объединением исходных областей О = Од и Оа и Ок. Затем в О с прямоугольной границей Г решается вспомогательная краевая задача с разрывными коэффициентами, являющимися продолжением коэффициентов исходной задачи из Од внутрь областей Оа и Ок. На границе разрыва коэффициентов задаются соответствующие условия согласо-

вания. Преимущество подобного подхода заключается в том, что исходная расчетная область Од с криволинейной границей уд заменяется О с прямоугольной границей Г, что значительно облегчает проведение расчетов.

Следует отметить, что метод фиктивных областей не удовлетворяет требованиям экономичности, важным для решения ресурсоемких задач вычислительной гидродинамики. Например, при расчете течения газа в области О приходится тратить время и память компьютера на тривиальные вычисления соответствующих коэффициентов в областях Оа и Ок, где течение газа отсутствует. Тем не менее преимущества метода заметно превосходят подобные издержки.

В вычислительной гидродинамике метод регуляризации расчетной области был впервые, по-видимому, предложен в работе [8]. В том виде, в каком он изложен выше, метод фиктивных областей впервые использован в работах [9-11] (без связи с электрической дугой). Подробный обзор современного состояния вопроса можно найти, например, в монографиях [7, 12].

(а)

(б)

Рис. 1. (а) - схема расчетной области, жирная линия -граница Г области О; (б) - области катода Ок, анода Оа и дуги Од.

Рис. 2. Схема электрической дуги с различной геометрией расчетной области.

Метод фиктивных областей применяется для численного решения широкого класса задач, для которых проведено математическое обоснование, т.е. доказаны теоремы существования и единственности решения вспомогательной задачи, получены оценки близости решений исходной и вспомогательной задач (см. обзор в [7]). На сегодняшний день математическое обоснование метода фиктивных областей для системы уравнений электродуговой плазмы, по-видимому, отсутствует. Однако о правомерности его использования могут свидетельствовать непротиворечивость рассчитанных характеристик электрической дуги, а также их согласие с экспериментом.

В настоящей работе апробация метода фиктивных областей для численного расчета электрической дуги проводится в рамках двухмерной модели. Выполнено сравнение расчетных данных с экспериментом [13, 14] и расчетными результатами [14, 15], полученными без применения метода фиктивных областей. В этих работах рассматривается открытая дуга, горящая между конусным (рис. 2а, 26) или сферическим (рис. 2в) вольфрамовым катодом и плоским медным анодом. В эксперименте [13] отверстие вдоль оси конусного катода (рис. 26) предназначено для измерения давления, а сужение на стержневом катоде (рис. 2в) - для уменьшения теплоотвода от сферической поверхности катода.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ

Система уравнений. Поскольку рассматриваемые задачи обладают осевой симметрией, используется двухмерная система уравнений электродуговой плазмы [2-6] в цилиндрической системе координат (г, г, 6) и в двухтемпературном приближении, включающая уравнение неразрывности газа,

div(pU) = 0,

(1)

уравнение неразрывности электронного газа

div[Ne(U + Ud + Uf + UJ] = Re, (2)

уравнения движения по координатам г и г

+ Ыа)ии] = = &у(|!и) - дР/дг + Мо/Не + ^ + (р -diу[m(N¿ + Na)Uv] = = &у(| §гаё V) - дР/дг + |0,/г#е + sг, уравнение баланса энергии электронного газа

Шу

(3)

(4)

Ne(U + Ud + Ut + Ua)[ 2-kTe + U

(5)

= div(Kgrad Te) + j2/a - у - B(Te - T), уравнение баланса энергии тяжелых частиц

"5,

div

- kT( N; + Na) U

(6)

(7)

(8) (9)

= div(Kgrad T) + B(Te - T), уравнения Максвелла

rot H = j, rot E = 0, divH = 0, закон Ома

E = j/ст,

закон Дальтона

P/kT = N i + Na + NeTe/T.

Электромагнитная часть задачи решается с использованием функции электрического тока %(r, z), определяемой соотношениями dyjdz = -jr, dyjdr = = jzr (см., например, [1-3]) и автоматически удовлетворяющей уравнению сохранения электрического тока div j = 0. При записи уравнений полагалось, что процессы являются стационарными, течение ламинарным, излучение объемным; однократно ионизованная плазма атмосферного давления представляет собой сплошную квазинейтральную среду. Приэлектродные процессы не рассматриваются. В (1)-(9) р - плотность плазмы, р^ - плотность окружающего холодного газа, Ke - теплопроводность электронного газа, K - теплопроводность газа тяжелых частиц или матери-

ала электродов, ц - вязкость, а - электропроводность плазмы или материала электродов, у - интенсивность излучения, т - масса атома, Ие, И, Иа -концентрации электронов, ионов и атомов соот-

2

ветственно. Яе = (КИеЫа - КгИе И) - скорость генерации электронов, где К, Кг - константы ударной ионизации и трехчастичной рекомбинации соответственно, и I - энергия ионизации газа, к -постоянная Больцмана, В - коэффициент энергообмена между электронами и тяжелыми частицами, g - ускорение свободного падения, де - заряд электрона, ц0 - магнитная постоянная. Векторы ^ E, j, H обозначают соответственно скорость газа, напряженность электрического поля, плотность электрического тока и напряженность магнитного поля, Т - температура тяжелых частиц или электродов, Те - температура электронного газа, Р - давление; sz, sr - дополнительные к и),

вязкие слагаемые, Ud, Ц, Ua - векторы скоростей дрейфа электронов, термо- и амбипо-лярной диффузии соответственно, определяемые по формулам

^ = j/(qeNe), ^ = -(0.5/Те)йе ЕШё Те, Ua = -фе/Ие^Шё Ие,

где Эе - коэффициент амбиполярной диффузии электронов. Коэффициенты переноса и тепло-физические свойства неравновесной аргоновой плазмы в области Од рассчитываются по известным формулам и уравнениям [3]. Температурные зависимости коэффициентов а(Т) и Х(Т) для материала электрода в областях Ок и Оа определялись по данным работы [16].

При расчете характеристик дуги в прямоугольной области О, области электродов Ок и Оа являются фиктивными для переменных Те, Ие, U и Р, т.е. в данной математической модели наличие электронного газа в Ок и Оа не рассматривается, а излучение и газодинамическое течение дуговой плазмы, очевидно, отсутствует. Поэтому необходимо "выключить" в областях Ок и Оа такие физические процессы, как ионизация, излучение и массоперенос. "Выключение" процессов ионизации и излучения газа в областях электродов обеспечивается заданием численных значений Хе, Яе, Ое, В, у, соответствующих температуре холодного неионизованного газа, для которого

Г^11" = 3 кК. При такой температуре концентрация электронов составляет около М™11 = = 1017 м-3, что много меньше соответствующего значения для столба дуги (Ие = 1021- 1024 м-3). Эти же значения Г1"11 = 3 кК и И1* = 1017 м-3 будут использованы как краевые условия для переменных Те и Ие на границе Г расчетной области О. Массоперенос в электродах "выключается" по аналогии с [17]

при помощи задания величины вязкости, значительно превышающей соответствующее значение для газа. Если для газа (или жидкой фазы) значение вязкости составляет ц = 10-5-10-3 кг/(мс), то при значении вязкости ц* = 1 кг/(мс) течение газа действительно отсутствует. Как показали результаты предварительных расчетов, в узловых точках твердого тела, прилегающих к областям реального газодинамического течения, значения скорости на 3-4 порядка меньше соответствующих значений для газа и через 2-4 узловые точки вглубь твердого тела уменьшаются почти до нуля. Плотность р в Ок и Оа полагается равной плотности материала электродов.

Для переменных Т и % области электродов не являются фиктивными, т.е. в электродах рассчитывается распределение температуры (из уравнения ёгу(^гаё Т) + j2/а = 0), а также течение электрического тока. Поэтому коэффициенты теплопроводности X и электропроводности а в областях электродов полагаются равными их реальным значениям, определяемым материалом электрода.

Следует отметить, что на границах дуги с электродами, где имеет место резкое изменение характеристик среды, не потребовалось применения каких-либо условий согласования. По-видимому, это обусловлено тем, что исходная с

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.

Показать целиком