Оптический плазмотрон
Покупка
Новинка
Тематика:
Оптика
Год издания: 2022
Кол-во страниц: 216
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
Профессиональное образование
ISBN: 978-5-7882-3263-8
Артикул: 844123.01.99
Доступ онлайн
500 ₽
В корзину
Рассмотрены способы поджига и стабилизации непрерывного оптического разряда во внутрикамерном пространстве оптического плазмотрона, проанализи-рованы процессы взаимодействия потока рабочего газа с низкотемпературной плазмой, образованной этим разрядом, выполнен расчет теплового состояния узлов и деталей конструкции.
Предназначена для преподавателей, инженеров и научно-технических работников, занимающихся вопросами получения и применения лазерной плазмы в различных областях техники.
Подготовлена на кафедре медицинской инженерии.
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Казанский национальный исследовательский технологический университет А. Г. Саттаров ОПТИЧЕСКИЙ ПЛАЗМОТРОН Монография Казань Издательство КНИТУ 2022
УДК 621.387.143 ББК 32.851.2 С21 Печатается по решению редакционно-издательского совета Казанского национального исследовательского технологического университета Рецензенты: д-р физ.-мат. наук У. Н. Закиров канд. техн. наук А. А. Лопатин С21 Саттаров А. Г. Оптический плазмотрон : монография / А. Г. Саттаров; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2022. – 216 с. ISBN 978-5-7882-3263-8 Рассмотрены способы поджига и стабилизации непрерывного оптического разряда во внутрикамерном пространстве оптического плазмотрона, проанализированы процессы взаимодействия потока рабочего газа с низкотемпературной плазмой, образованной этим разрядом, выполнен расчет теплового состояния узлов и деталей конструкции. Предназначена для преподавателей, инженеров и научно-технических работников, занимающихся вопросами получения и применения лазерной плазмы в различных областях техники. Подготовлена на кафедре медицинской инженерии. УДК 621.387.143 ББК 32.851.2 ISBN 978-5-7882-3263-8 © Саттаров, А. Г., 2022 © Казанский национальный исследовательский технологический университет, 2022 2
С О Д Е Р Ж А Н И Е УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ .................................................................... 6 ПРЕДИСЛОВИЕ ............................................................................................................................... 8 ВВЕДЕНИЕ ...................................................................................................................................... 10 1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛАЗМОТРОНОВ И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЛАЗЕРНОЙ ТЕХНИКИ ................................................................................................................. 12 1.1. Описание технологического комплекса на основе СО2-лазера ............ 13 1.2. Волоконные лазеры .................................................................................................. 15 1.3. Газодинамическое окно для ввода лазерного излучения в камеру поглощения оптического плазмотрона ................................................. 25 1.4. Процессы поглощения лазерного излучения в камере оптического плазмотрона .............................................................................................. 27 1.5. Инициирование и непрерывное поддержание лазерной плазмы в камере поглощения оптического плазмотрона ................................ 30 1.6. Лучистые тепловые потоки в камере поглощения оптического плазмотрона ......................................................................................................................... 32 1.7. Устойчивость непрерывного оптического разряда ..................................... 35 1.8. Применение закрученных течений для стабилизации плазмы в камере поглощения оптического плазмотрона ................................................. 39 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ НЕПРЕРЫВНОГО ОПТИЧЕСКОГО РАЗРЯДА ВО ВНУТРИКАМЕРНОМ ПРОСТРАНСТВЕ ОПТИЧЕСКОГО ПЛАЗМОТРОНА ............................................................................................ 41 2.1. Механизмы возникновения и распространения оптического разряда ................................................................................................................................... 41 2.2. Теоретические модели оптического разряда ............................................... 47 2.3. Метод расчета температурного поля плазмы, образованной непрерывным оптическим разрядом ........................................................................ 50 2.4. Теоретическое исследование рабочего процесса в камере поглощения оптического плазмотрона на основе осесимметричного закрученного противоточного течения газа .......................................................... 57 3. РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ КОНСТРУКЦИИ ОПТИЧЕСКОГО ПЛАЗМОТРОНА ................................ 65 3.1. Оценка величины тепловых потоков. Расчет лучистых тепловых потоков по закону Стефана–Больцмана .................................................................. 66 3.2. Методика проведения расчетов теплового состояния конструкций оптического плазмотрона ................................................................... 69 3
3.3. Анализ результатов расчетно-теоретических исследований теплового состояния оптического плазмотрона ................................................... 72 4. ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ВО ВНУТРИКАМЕРНОМ ПРОСТРАНСТВЕ ОПТИЧЕСКОГО ПЛАЗМОТРОНА .......................................................... 77 4.1. Основные принципы организации рабочего процесса во внутрикамерном пространстве оптического плазмотрона ........................ 77 4.2. Схемы организации рабочего процесса во внутрикамерном пространстве оптического плазмотрона .................................................................. 77 4.3. Газодинамическое окно оптического плазмотрона ................................... 84 5. ИНИЦИИРОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ РАЗРЯДОВ — ИМПУЛЬСНОГО И НЕПРЕРЫВНОГО ...................................................................................................................... 90 5.1. Способы инициирования оптического разряда ........................................... 90 5.2. Экспериментальное исследование инициирования множественного непрерывного оптического разряда ...................................... 92 5.3. Описание лазерного технологического комплекса .................................... 94 5.4. Получение плазмы, образованной оптическим разрядом ...................... 96 5.5. Инициирование множественных плазменных образований в камере поглощения оптического плазмотрона .............................................. 100 6. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫХ СВОЙСТВ НЕПРЕРЫВНОГО ОПТИЧЕСКОГО РАЗРЯДА........ 102 6.1. Определение длины пробега фотона в плазме, образованной непрерывным оптическим разрядом ..................................................................... 102 6.2. Измерение излучения плазмы, образованной непрерывным оптическим разрядом ................................................................................................... 104 6.3. Схема приемника теплового излучения от плазмы непрерывного оптического разряда ....................................................................... 109 7. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ОКОН ОПТИЧЕСКОГО ПЛАЗМОТРОНА ......................................................................................... 112 7.1. Результаты экспериментальных исследований газодинамического окна.............................................................................................. 114 7.2. Канонический анализ полученных моделей .............................................. 118 7.3. Результаты канонического анализа уравнений регрессии................... 121 7.4. Экспериментальное исследование качественной картины истечения рабочего газа из газодинамического окна оптического плазмотрона ...................................................................................................................... 129 4
8. ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ГАЗА В ГАЗОДИНАМИЧЕСКОМ ОКНЕ, КАМЕРЕ ПОГЛОЩЕНИЯ И СОПЛЕ ОПТИЧЕСКОГО ПЛАЗМОТРОНА С ОСЕСИММЕТРИЧНЫМ И ЗАКРУЧЕННЫМ ПРОТИВОТОЧНЫМ ТЕЧЕНИЕМ .................................................... 136 8.1. Дифференциальные модели замыкания уравнений Рейнольдса. Модель Колмогорова–Прандтля .............................................................................. 136 8.2. Семейство k–ε-моделей ...................................................................................... 139 8.2.1. Стандартная k–ε-модель ........................................................................ 139 8.2.2. RNG k–ε-модель ......................................................................................... 140 8.2.3. Realizable k–ε-модель ............................................................................. 142 8.6. Семейство k–ω-моделей ..................................................................................... 144 8.7. Исследование процессов течения рабочего газа в ГДО-0 с кольцевым осесимметричным потоком рабочего газа в камере поглощения оптического плазмотрона ................................................................. 148 8.8. Исследование процессов течения рабочего газа в ГДО-1 с осесимметричным противоточным закрученным потоком в камере поглощения оптического плазмотрона .............................................. 158 9. ВОСПЛАМЕНЕНИЕ ИМПУЛЬСНЫМ ОПТИЧЕСКИМ РАЗРЯДОМ ТОПЛИВНОЙ СМЕСИ «МЕТАН + ВОЗДУХ» В КАМЕРЕ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ .................................................................................................... 171 9.1. Экспериментальная установка для исследования влияния давления и коэффициента избытка окислителя смеси «метан + воздух» в камере двигателя на работу лазерной свечи ............. 180 9.2. Особенности поджига топливной смеси «метан + воздух» в двигателе внутреннего сгорания .......................................................................... 185 9.3. Термодинамический расчет процесса горения смеси «метан + воздух» и определение состава продуктов сгорания .................. 188 9.4. Испытания лазерной свечи зажигания на экспериментальном двигателе внутреннего сгорания с компонентами топлива «метан + воздух» ............................................................................................................. 190 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................................................................................................ 203 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ........................................................................................................... 206 5
У С Л О В Н Ы Е О Б О З Н А Ч Е Н И Я И С О К Р А Щ Е Н И Я Условные обозначения С – расходный комплекс (характеристическая скорость), м/с Ск – теплоемкость k-го тела Dк – диаметр камеры поглощения, мм Dкр – диаметр критического сечения, мм Fк – площадь камеры, м2 Fкр – площадь критического сечения, м2 Fп – площадь поперечного сечения малоподвижной области закрученного потока Fi,k – площадь контакта Fi,k/Xi,k – отношение площади эффективного сечения конструкции между i-м и k-м телами к расстоянию между их центрами G – массовый расход, кг/с KY – код решаемой задачи KY = 0 – решается задача стационарного теплообмена KY = 1 – решается задача нестационарного теплообмена L – длина камеры поглощения, мм N – число участков конструкции оптического плазмотрона Pвх – давление высоконапорного эжектирующего активного газа на входе, ати Рэ – давление низконапорного эжектируемого пассивного газа, Па p∗ – давление заторможенного потока, Па R – газовая постоянная, Дж/кг·К Ткр – температура газа в критическом сечении сопла, К ux – осевая скорость, м/с vf – скорость течения охладителя, м/с vφ – тангенциальная скорость, м/с – время течения процесса теплообмена β – характеристическая скорость, м/с – скорость диссипации турбулентной энергии ρ – плотность рабочего газа, кг/м3 Ψ – функция тока Принятые сокращения ВКР – вынужденное комбинационное рассеяние ВЛГ – волна лазерного горения 6
ВЛД – волна лазерной детонации ВЧЕ – высокочастотный электрический разряд ГДО – газодинамическое окно ГДО-0 осесимметричное кольцевое прямоточное газодинамическое окно ГДО-1 – осесимметричное противоточное газодинамическое окно ГУ – граничные условия ДВС – двигатель внутреннего сгорания ЗОТ – зона обратных токов КП – камера поглощения КПГ – компримированный природный газ ЛТК – лазерный технологический комплекс МКТТ – межканальная транспирация теплоносителя НОР – непрерывный оптический разряд ОП – оптический плазмотрон ОР – оптический разряд ОТИ – обратное тормозное излучение ОФВ – обращение волнового фронта РЗИ – редкоземельные ионы СВЧ – сверхвысокочастотный разряд ТВС – топливно-воздушная смесь УФ – ультрафиолетовое излучение ЭМИ – электромагнитное излучение ЭСУД – электронная система управления двигателем Верхние индексы ата – абсолютное давление ати – избыточное давление Нижние индексы вх – параметр на входе кр – критический параметр отн – относительный параметр уд – удельный параметр п – пороговое значение параметра см – смесь пассивного эжектируемого (низконапорного) и активного эжектирующего (высоконапорного) газов э – эжекция пассивного низконапорного газа через ГДО 7
П Р Е Д И С Л О В И Е Вторая половина прошлого века была ознаменована значительным прогрессом в области создания и развития лазерной техники. Одними из создателей лазеров были советские физики академики Н. Г. Басов и А. М. Прохоров, а также американский ученый Ч. Таунсом (все – лауреаты Нобелевский премии), которые заложили основы для фундаментальных и прикладных исследований лазерных технологий. В это же время появились и новые области исследований – импульсные и непрерывные оптические разряды. Существенный вклад в дальнейшее развитие данного направления науки и техники внесли известные ученые из Института проблем механики им. А. Ю. Ишлинского РАН. Так, советскими учеными Ю. П. Райзером, Н. А. Генераловым, В. П. Зимаковым, Г. И. Козловым, В. А. Масюковым, С. Т. Суржиковым и др. были выполнены фундаментальные исследования условий возникновения и свойств низкотемпературной плазмы, образованной оптическим разрядом, непрерывно поддерживаемой излучением СО2-лазера. Лазерная плазма обладает такими уникальными свойствами, как высокая чистота и сравнительно высокая температура. Кроме того, ее можно использовать в любой труднодоступной области внутрикамерного пространства энергетической установки. В данной монографии представлены результаты исследований различных схем газодинамических окон, предназначенных для введения в камеру поглощения лазерного излучения. Автором сохранены термины, которыми пользовались первооткрыватели оптического разряда. Например, термин «горение непрерывного оптического разряда» по аналогии с горением химических топлив означает процесс непрерывного поддержания температуры лазерной плазмы энергией лазерного излучения, поступающей извне. В главе 2 рассматривается критерий стабилизации плазмы в камере поглощения оптического плазмотрона, который связан с параметрами закрученного осесимметричного противоточного потока рабочего газа (тангенциальными и осевыми скоростями, температурой, показателем изоэнтропы) и геометрическими размерами камеры поглощения (диаметром камеры и критического сечения). В главе 4 приведен анализ различных схем организации рабочего процесса во внутрикамерном пространстве. Показано, что использование осесимметричного противоточного закрученного потока рабочего газа, вводимого в камеру поглощения со стороны ее критического сечения, является наиболее 8
оптимальным вариантом для газодинамического окна оптического плазмотрона. В главе 5 описаны результаты экспериментальных исследований распространения лазерного излучения вдоль оси камеры поглощения в результате приповерхностного оптического разряда в парах металла. В экспериментах автором были получены множественные плазменные образования, инициированные вольфрамовыми проволоками. При прохождении излучения СО2-лазера мощностью 8–10 кВт, сфокусированного параболическим зеркалом с длинным фокусным расстоянием, через множественные плазменные образования увеличивается коэффициент поглощения поступающего в камеру поглощения лазерного излучения плазмой, образованной непрерывным оптическим разрядом. Данный способ организации рабочего процесса в камере поглощения можно использовать в лазерных установках реактивной тяги с высоким КПД. Разработанные в последние годы методы вычислительной газодинамики позволили выполнить расчеты параметров рабочего газа и плазмы, образованной непрерывным оптическим разрядом, определить оптимальные режимы работы различных типов газодинамических окон. Сравнение оптимальных режимов работы газодинамического окна, полученных экспериментально (глава 7) и выполненных методами вычислительной газодинамики (глава 8), показали их удовлетворительное соответствие. Для специалистов также могут представлять интерес результаты применения импульсного оптического разряда для поджига топливновоздушной смеси «метан + воздух» в газовом ДВС (глава 9). Лазерную свечу зажигания можно рассматривать как оптический плазмотрон, работающий на основе импульсного оптического разряда. Результаты экспериментов с использованием в газовом ДВС лазерной свечи вместо электрической показали, что при этом существенно повышаются энергетические характеристики двигателя, происходит более полное сгорание топливно-воздушной смеси, снижается доля вредных газов в продуктах сгорания. Автор благодарит аспирантов А. Р. Бикмучева, М. Ф. Вахитова и И. Г. Хафизова за участие в экспериментальных и теоретических исследованиях по данной тематике. 9
В В Е Д Е Н И Е Дальнейшее развитие мощных волоконных и газодинамических СО2-лазеров ставит перед исследователями задачу их эффективного использования в различных энергетических установках, например в оптических плазмотронах. Оптические плазмотроны можно создать на основе непрерывного оптического разряда, продувая холодный газ через стабилизированный разряд, и получать непрерывную плазменную струю высокой температуры. Температура плазмы в оптическом разряде существенно выше, чем в других, и составляет 15000–20000 К (в ближайших аналогах – например, в дуговом разряде – 7000–8000 К, в ВЧ-разряде – 9000–10000 К). Преимуществами оптических плазмотронов по сравнению с другими их видами являются сравнительно высокая температура генерируемой плазмы, небольшие размеры и чистота плазменного образования. Механизмы получения оптического разряда и исследования физических процессов его взаимодействия с рабочим газом рассмотрены в целом ряде работ, выполненных такими известными отечественными учеными, как Ю. П. Райзер, С. Т. Суржиков, Э. Б. Кулумбаев, В. М. Лелевкин, А. М. Прохоров, Ф. В. Бункин, Г. И. Козлов, Н. А. Генералов, К. Г. Гуськов, В. П. Зимаков, В. Б. Федоров, В. В. Аполлонов, В. Н. Тищенко, Ю. А. Резунков, В. П. Агеев, А. П. Большаков, Г. А. Аскарьян, В. И. Конов, М. Ю. Якимов, М. А. Котов, В. А. Кузнецов, Н. Г. Соловьев, А. Н. Шемякин, А. О. Шилов и др. Существенный вклад в изучение свойств оптического разряда внесли зарубежные ученые Р. Дж. Глэмб, Х. Криер, Х. К. Хоттель, С. Мейер, А. Н. Пирри, Р. Вайсс, М. Ж. Монслер и П. Е. Небольсайн, С. М. Дженг, Х. Х. Легнер, Д. Х. Дуглас-Гамильтон, Дж. Мазумдер, Т. Дж. Рокстрох, Д. Р. Кифер, Р. Уэлле, К. Э. Питерс, Г. А. Молвик, Д. Чой, Ч. Л. Меркл, Л. Мирабо и другие. Монография содержит экспериментальные и теоретические исследования характеристик оптических плазмотронов с газодинамическим окном, способы поджига и условия стабилизации непрерывного оптического разряда во внутрикамерном пространстве, анализ процессов взаимодействия осесимметричного потока газа с низкотемпературной плазмой, образованной НОР. Полученные результаты могут представлять интерес для преподавателей, инженеров, научно-технических работников, занимающихся вопросами получения и применения 10
Доступ онлайн
500 ₽
В корзину