close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Экспериментальное изучение методов генерации и управления проводящими потоками

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Поздняков Георгий Алексеевич
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ
МЕТОДОВ ГЕНЕРАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ
ПРОВОДЯЩИМИ ПОТОКАМИ
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора физико-математических наук
01.02.05 – механика жидкости, газа и плазмы
Новосибирск – 2018
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении
науки Институте теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича
Сибирского отделения Российской академии наук.
Научный консультант: Кацнельсон Савелий Семенович, д. ф.-м. н., профессор,
в.н.с., ФГБУН ИТПМ СО РАН.
Официальные оппоненты:
Ребров Алексей Кузьмич, академик РАН, д. ф.-м. н., профессор, г.н.с. ФГБУН
Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН.
Швецов Геннадий Анатольевич, д. т. н., профессор, зав. лаб., ФГБУН Институт
гидродинамики им. М.А.Лаврентьева СО РАН.
Князев Борис Александрович, д. ф.-м. н., профессор, г.н.с., ФГБУН Институт
ядерной физики им. Г. И. Будкера.
Ведущая организация:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт
высоких температур (ОИВТ РАН).
Защита состоится 22 июня 2018 г. в 9-30 на заседании диссертационного совета
Д 003.035.02 в Институте теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН, 630090, Новосибирск, ул. Институтская, 4/1.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН.
Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просьба
направлять на имя ученого секретаря диссертационного совета Д 003.035.02.
Автореферат разослан «___» _______ 2018 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
д. ф.-м. н.
С. А. Гапонов
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Изучение движения и физико-химических процессов в
электропроводящих газообразных и жидких средах в магнитном поле является одной
из основополагающих областей знаний. Это – комплексная область науки, так как
сюда входят исследования по астрофизике, термоядерному синтезу, аэродинамике
больших скоростей, преобразованию видов энергии и т. д. Здесь следует отметить ряд
сформировавшихся и развивающихся направлений: физика высокотемпературной
плазмы, физика низкотемпературной плазмы, физико-химическая газодинамика. Для
большинства прикладных задач, связанных с течением электропроводных сред в магнитном поле, исторически сложилось общее название – магнитная гидродинамика
(МГД), включающее те или иные перечисленные выше направления исследований.
Среди всего многообразия фундаментальных проблем, которые могут быть
сформулированы и разрешены в рамках магнитной гидродинамики, есть наиболее актуальные с точки зрения практического применения результатов.
Итак, актуальность темы определяется необходимостью получения новых знаний и разработкой новых методов управления разнообразными механическими и физико-химическими процессами в газах, плазме и жидкостях, которые были бы необходимы как для развития фундаментальной науки, так для разработки перспективных
технологий.









Цели исследования.
Исследование МГД-преобразования энергии на модели дискового МГДгенератора (МГДГ) с Т-слоем с рабочими телами плазм благородных газов и
натрия.
Изучение дискового кондукционного МГД-насоса для перекачки и разлива
расплава цветных металлов с одновременным внесением в него наночастиц с
целью повышения эксплуатационных свойств материалов.
Изучение характеристик МГД-ускорителей для исследования процессов химических преобразований в гиперзвуковых плазменных потоках и изучения механических, физических и химических процессов при воздействии таких потоков
на поверхность.
Демонстрация возможностей применения разработанных методов для создания
перспективных технологий.
Задачи исследования
Разработка и создание оригинальных экспериментальных установок, адекватных сформулированным целям.
Адаптация известных методик измерения и разработка новых методик, изготовление необходимых датчиков.
Организация изучения получаемых образцов в коллективах-соисполнителях.
Сравнение полученных экспериментальных результатов с результатами численных экспериментов, в частности, с целью верификации математических
моделей.
Проведение экспериментов с целью изготовления образцов, демонстрирующих
новые технологические возможности изучаемых процессов.
3
Научная новизна. В части работы, посвященной дисковому МГДГ, впервые
предложено использование вогнутых электродных вставок, позволившее осуществить
практически полный токосъем с генератора, без замыкания части тока помимо
нагрузки. Также впервые исследовалась модель дискового МГДГ с Т-слоем, работающего на плазме щелочного металла (натрия), для чего был разработан и изготовлен
оригинальный импульсный электроэрозионный источник плазмы натрия с расходом
до 1 кг/с.
В части работы, посвященной кондукционному дисковому МГД-насосу, впервые предложен и осуществлен способ внесения нанопорошков в расплав для модификации свойств конструкционных материалов, в частности алюминия и его сплавов.
Способ позволяет производить внесение нанодобавок без контакта с воздухом.
Впервые предложена схема и построен дисковый МГД-ускоритель плазмы,
продемонстрирована его работоспособность и получен поток сильнонеравновесной
плазмы со скоростью до 10 км/с на выходе. С помощью этого ускорителя проведен
цикл исследований по пиролизу природного газа. Были обнаружены эффекты нанесения пленок различного состава на твердые поверхности, плазменного травления и
сглаживания этих поверхностей в результате их обдува потоками плазмы различного
состава, полученными с помощью этого ускорителя.
Впервые предложено применение линейных электродинамических ускорителей
плазмы для модификации жаропрочных покрытий поверхностей конструкционных
материалов. Продемонстрированы эффекты изменения структуры приповерхностных
слоев, в том числе уплотнение и сглаживание жаропрочной защиты лопаток газовых
турбин, предварительно нанесенных с помощью плазмотронного напыления.
Впервые экспериментально продемонстрирована возможность МГДуправления гиперзвуковым воздушным потоком с помощью придания проводимости
потоку посредством его облучения электронной пушкой. Предложена конструкция
электронной пушки, пригодной для управления потоком, в том числе для инициирования в нем горения.
Научная и практическая значимость. Обнаруженное улучшение электрического контакта между сверхзвуковым потоком плазмы и электродной вставкой, достигаемое за счет придания кривизны её поверхности и организации течения с отражением от поверхности, может быть использовано в МГДГ, в том числе дисковых с
Т-слоем.
Разработанный метод внесения наночастиц в расплав и его гомогенизация в
центробежном кондукционном МГД-насосе (ЦКН) позволяет получать конструкционные материалы с улучшенными характеристиками, поскольку предложенная схема
внесения наноприсадок и гомогенизации расплава позволяет избежать контакта металла с атмосферой, что способствует повышению качества получаемого материала.
Разработанные методики и полученные экспериментальные данные позволили верифицировать расчетно-численную модель такого насоса.
Впервые показано, что существуют режимы работы дискового МГДускорителя плазменных потоков, при которых реализуется устойчивое ускорение
плазмы. Экспериментально получены высокоскоростные потоки сильно неравновесной плазмы различного элементного и химического состава. Продемонстрировано,
что с помощью этого уникального инструмента могут изучаться физико-химические
процессы как в потоках сильнонеравновесной плазмы, так и на поверхности, обтекаемой таким потоком в режимах, недоступных для других известных устройств. Это
4
позволяет получать новые фундаментальные данные о физико-химических процессах,
протекающих в плазме и при ее взаимодействии с поверхностями. Были получены
новые экспериментальные результаты по пиролизу природного газа, по травлению
поверхностей и нанесению покрытий различного состава. В перспективе МГДускорители могут использоваться в технологических процессах.
Продемонстрировано воздействие плазменных сгустков, получаемых в электродинамических ускорителях плазмы, для улучшения качества и модификации
структуры поверхности и приповерхностного слоя материалов, в том числе жаростойких, предварительно покрытых защитным слоем с помощью плазменного напыления. Предложенная методика дает возможность управления свойствами материалов, что имеет как фундаментальное значение для развития материаловедения, так и
практическое значение для развития новых технологий. По результатам этой части
работы был получен европейский патент на способ модификации напыленного защитного слоя.
Разработка сильноточного газоразрядного широкоапертурного источника электронных потоков, сохраняющего работоспособность при давлении, превышающем
1 кПа, и времени работы порядка сотен микросекунд позволили продемонстрировать
возможность управления гиперзвуковым потоком с помощью наложения внешнего
магнитного поля. Дальнейшие работы в этом направлении позволят получить новые
данные для создания физических и численно-расчетных моделей МГДвзаимодействия потоков, ионизованных электронным пучком. Разработка указанного
источника электронных потоков позволило предложить новый подход для объемного
инициирования химических реакций, в частности горения. Продолжение работ в этом
направлении позволит получить новые данные о кинетике химических реакций и разрабатывать новые технологические процессы с использованием сильноточных широкоапертурных потоков электронов.






Наиболее существенные научные положения, выдвигаемые на защиту
Впервые обнаруженный эффект существенного увеличения доли тока, протекающего через нагрузку, в модели дискового МГДГ с Т-слоем при сверхзвуковом течении плазмы. Эффект вызван использованием вогнутых электродных
вставок, связан с отражением потока от их поверхностей.
Впервые экспериментально продемонстрированная возможность использования потока плазмы щелочного металла в качестве рабочего тела в МГДГ с
Т-слоем.
Эффект гомогенизации наноприсадок в расплаве металла в центробежном кондукционном МГД-насосе.
Эффект повышения качества путем модификации, в том числе уплотнения,
приповерхностного слоя конструкционных материалов посредством воздействия на него плазменными сгустками, полученными в электродинамических
ускорителях плазмы.
Принцип генерации и ускорения плазменных потоков плазмы в дисковом
МГД-ускорителе.
Схемы технологических процессов – пиролиза природного газа, травления поверхностей, нанесения тонких слоев различного состава, сглаживания поверхностей, основанных на применении высокоэнтальпийных потоков сильно-
5
неравновесной плазмы, получаемых с помощью разработанного автором дискового МГД-ускорителя плазмы.
 Результаты экспериментальных исследований по воздействию электронного
пучка на сверхзвуковые потоки газа с целью организации МГД-управления и
инициирования химических реакций, в том числе горения.
Апробация работы. Основные результаты докладывались на международных,
всесоюзных и всероссийских научных конференциях:VII Всесоюзной конференции
по генераторам низкотемпературной плазмы, Алма-Ата,1977; VIII Международной
конференции по МГД-преобразованию энергии. Москва,1983 г; IX International Conference on MHD Electrical Power Generation, Tsucuba, 1986; Международном семинаре
«Гидродинамика высоких плотностей энергии», Новосибирск, 2003; XII International
Conference on the Methods of Aerophysical Reseach ICMAR-2004, Novosibirsk, 2004;
13th International Space Planes and Hypersonics Systems and Technologies, Capua, Italy,
2005; XV International Conference on MHD Energy Conversion and VI International
Workshop on Magnetoplasma Aerodynamics, Moscow, 2005; V Международном совещании по магнитоплазменной аэродинамике в аэрокосмических приложениях,
Москва, 2003; XIII International Conference on the Methods of Aerophysical Reseach
ICMAR-2007, Novosibirsk, 2007; 7th International Workshop on Magnetoplasma Aerodynamics, Moscow, 2007; 8th International Symposium on Experimental and Computational
Aerothermodynamics of Internal Flows 8th ISAIF, Lyon, France, 2007; 38th AIAA Plasmadynamics and Lasers Conference In conjunction with the 16th International Conference
on MHD Energy Conference, Miami, FL, 2007; XII Международной конференции по генерации мегагауссных магнитных полей и родственным экспериментам, Новосибирск, 2008; International Conference Chemistry, Chemical engineering and
Biotechnology, Tomsk, Russia, 2006; III Всероссийской конференции «Взаимодействие
высококонцентрированных потоков энергии с материалам и в перспективных технологиях и медицине», Новосибирск, 2009; 2nd International Conference on Optical Electronic and Electrical Materials (OEEM 2012), Shanghai, China, 2012; I Международной
конференциb «Развитие нанотехнологий: задачи международных и региональных
научно-образовательных и научно-производственных центров», Барнаул, 2012; V
Всероссийской конференции «Взаимодействие высоко-концентрированных потоков
энергии с материалами в перспективных технологиях и медицине» Новосибирск,
2013; 5th European Conference for Aeronautics and Space Sciences (EUCASS 2013), Munich, 2013; Second Asian School-Conference on Physics and Technology of Nanostructured
Materials, (ASCO-NANOMAT) Vladivostok, 2013; 11th World Congress on Computational
Mechanics (WCCM XI), 5th European Conference on Computational Mechanics (ECCM
V), 6th European Conference on Computational Fluid Dynamics (ECFD VI) Barselona,
2014; 12th International Symposium on Experimental Computational Aerothermodynamics
of Internal Flows, Lerici, Italy, 2015; 30th International Symposium on Shock Waves
(ISSW30), Tel-Aviv, Izrael, 2015.
Личный вклад автора. Задача об изучении модели дискового МГДГ с Т-слоем
была сформулирована в соавторстве с научным консультантом Кацнельсоном С.С.,
идея применения вогнутых электродных вставок принадлежит автору. Автор самостоятельно проделал экспериментальную часть исследования модели генератора.
Технология изготовления пьезодатчиков давления разработана Фомичевым В.П. В
соавторстве с Кацнельсоном С.С. была поставлена задача исследования МГДГ с
Т-слоем на плазме (парах) щелочного металла. Автору принадлежит разработка ис-
6
точника плазмы щелочного металла. Расчетно-теоретическая часть исследования
МГДГ с Т-слоем на плазме щелочных металлов была выполнена с использованием
программных кодов, предоставленных Кацнельсоном С.С.
Задача о разработке ЦКН для перекачки расплавов металлов и внесения в них
наночастиц была сформулирована Кацнельсоном С.С. Экспериментальная часть исследований выполнена автором самостоятельно. Задача о модификации поверхностей
обработкой плазменными сгустками, генерируемыми электродинамическими ускорителями, сформулирована Кацнельсоном С.С. Эксперименты, включая модернизацию,
разработку и изготовление установок, выполнены автором самостоятельно. Исследование образцов проводилось Сидельниковой О.Н. (ИХТТиМХ) и в лабораториях
швейцарского отделения ALSTOM Power.
Задача о разработке и исследовании дискового МГД-ускорителя плазмы сформулирована автором самостоятельно. Оценочный расчет установок и выбор режимов
их работы проделаны автором самостоятельно. Планирование экспериментов, в том
числе выбор объектов для изучения, и собственно эксперименты проводилось автором самостоятельно. Изучение полученных образцов проводилось в рамках выполнения интеграционных проектов в организациях-соисполнителях (ИФП СО РАН, ИНХ
СО РАН, ИК СО РАН).
Автор принимал участие в исследованиях о МГД-управлении гиперзвуковым
потоком в части разработки магнитной системы, а также разработки системы ионизации электронным пучком и части измерительных методик. Автор самостоятельно занимался планированием и отладкой экспериментов на импульсной аэродинамической
установке с использованием электронной пушки собственной разработки. Эксперименты, в которых был впервые продемонстрирован эффект МГД-управления гиперзвуковым потоком, ионизированным электронным пучком, проводились под руководством автора. Теневые картины получены с помощью прибора Теплера, предоставленного А.А. Павловым. Схема сильноточного широкоапертурного источника электронных потоков предложена автором самостоятельно. Задача об инициировании горения с помощью этого источника сформулирована автором самостоятельно. Часть
работ по исследованию собственно источника и изучению процессов инициирования
горения проводились совместно с И.А. Головновым.
Текст автореферата согласован с соавторами.
Достоверность результатов. Достоверность полученных в работе результатов
обеспечивается использованием в экспериментальных исследованиях точных, в
большинстве своем цифровых, методов измерения электрических величин, неоднократной калибровкой использовавшихся датчиков собственного изготовления (датчики давления, магнитные зонды, шунты, пояса Роговского и трансформаторы тока).
Достоверность результатов обеспечивалась также за счет неоднократного повторения
измерений и статистической обработки результатов. Исследования структуры образцов проводились в специализированных лабораториях институтов СО РАН и швейцарского отделения ALSTOM Power.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 282
страницах, состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 152
наименований. Текстовая часть иллюстрируется 235 рисунками. По теме диссертации
получено 2 патента, в том числе европейский, и опубликовано 59 работ, в том числе
19 публикаций в ведущих периодических изданиях, рекомендованных ВАК для публикации материалов диссертаций.
7
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении показана актуальность темы, кратко сформулированы основные
цели исследования для каждой из глав и положения, которые выносятся на защиту.
Каждая глава начинается с введения, содержащего постановку конкретных задач,
решаемых в главе.
Первая глава посвящена исследованию модели кондуктивного дискового
МГДГ с Т-слоем.
Первый параграф содержит введение к главе, в котором дано краткое описание
физического явления Т-слоя и основные результаты, полученные и опубликованные
открывателями этого явления и другими исследователями. Приводится обоснование
перспективности использования дисковой схемы МГДГ с Т-слоем, в том числе с
электродным (кондуктивным) подключением нагрузки.
Второй параграф начинается с описания установки. Источником плазмы служила электроразрядная ударная труба c внутренним диаметром канала 56 мм. Плазма
из трубы поступала в центр дискового канал диаметром 340 мм и шириной 20 мм. В
стенках канала были установлены датчики. Между стенками крепились электродные
вставки различной конфигурации.
При планировании экспериментов предполагалось, что такая компоновка генератора должна обладать большей эффективностью энергосъёма. Напомним две принципиальные проблемы, с которыми сталкиваются при подключении нагрузки к МГДГ
с однородным потоком:
 холодный приэлектродный слой ухудшает электрический контакт между плазмой и электродом;
 необходимость секционировать электроды из-за большого значения параметра
Холла.
Генератор, построенный по выбранной схеме, обладает следующим набором
свойств, выделяющим его из ряда известных схем:
 использование явления Т-слоя;
 дисковая компоновка с радиальным потоком, направленным из центра;
 сверхзвуковое течение плазмы в канале (число М > 2).
Перечисленным выше особенностям соответствуют специфические возможности по организации энергосъема. Развитие Т-слоя в потоке плазмы приводит к локализации тока в относительно узкой кольцевой области с высокой проводимостью, параметр Холла становится малым, поэтому вектор напряженности электрического поля
имеет преимущественно нормальную к вектору скорости составляющую. Это позволяет использовать схему Фарадея и применить сплошные (не секционированные)
электроды.
Развитие Т-слоя в потоке плазмы увеличивает эффективное значение магнитного числа Рейнольдса Rm= l, так что параметр гидромагнитного взаимодействия
Rs=RmRH приближается к значению ~ 1, что на 1–2 порядка выше, чем в генераторах с
однородным потоком (RH – отношение магнитного давления к газовому). При таком
значении Rs происходит сильное (по сравнению с генераторами с однородным потоком) торможение потока, что приводит к увеличению удельной электрической мощности.
Основные расчетно-теоретические и экспериментальные результаты по изучению эффекта Т-слоя были выполнены в условиях его самопроизвольного образования
или инициирования без отбора электрической мощности. Подключение нагрузки – в
8
наших экспериментах с помощью электродов – приводит к изменению условий существования Т-слоя. В частности, изменение условий вызвано следующими причинами:
 дополнительной диссипацией энергии в приэлектродных слоях и нагрузке;
 возможным развитием магнитогидродинамической неустойчивости потока, порождаемой его газодинамической неоднородностью;
 возникновением скачков уплотнения, возникающих при обтекании электродной вставки.
В параграфе содержится доказательство того, что в канале с электродной
вставкой может развиться Т-слой.
Проведенная серия экспериментов, в которых производилась скоростная киносъемка потока плазмы гелия с добавкой водорода, показала, что для данной установки
не существует области устойчивого развития Т-слоя при наличии в канале электродной вставки. Поэтому автор отказался от продолжения экспериментов с гелием.
В опытах с аргоном скоростная киносъемка показала схожесть процессов в модели МГДГ с процессами в дисковом МГД-канале без электродов.
Кроме качественного сравнения процессов в МГД-канале проводилось количественное сравнение по измерениям распределения давления и магнитного поля, характеризующим развитие Т-слоя. Все проведенные измерения сравненивались с соответствующими данными для течения с Т-слоем без электродной вставки. В результате
были получены доказательства развития Т-слоя в канале со вставкой.
В третьем параграфе приведены результаты исследования модели МГДГ с
плоскими электродами – со сплошными и с секционированными. Вставка со сплошными электродами имеет встроенную нагрузку, эквивалентную 14 параллельно подключенным резисторам по 0,2 Ома. Секционированная вставка имеет 14 пар электродов, нагруженных на омическую нагрузку по 0,2 Ома каждая.
Результаты измерений токов для вставок с плоскими поверхностями представлены на рис. 1. Нечетными цифрами обозначены кривые, соответствующие току в
плазме, а четными – току через нагрузку. Рисунок 1, а относится к вставке с не секционированными электродами. На оси времени литерами t1, t2, t3 отмечены моменты
достижения токовым слоем конца канала при величине индукции магнитного поля
соответственно 0,64, 0,32 и 0,16 Тл. Интегральный по времени ток через нагрузку не
превышает 70% от полной величины тока, индуцированного в плазме.
Рис. 1. Временные зависимости тока, индуцированного в потоке (нечетные кривые) и полного тока протекающего через нагрузку (четные кривые).
а – для вставок с плоскими сплошными электродами (кривые 1, 2, B0 = 0,64 Тл); б – для секционированных электродов (кривые 1, 2, B0 = 0,48 Тл); кривые 3, 4 получены при B0 = 0,32 Тл, 5, 6 – при
B0 = 0,16 Тл.
9
Секционирование электродов привело к изменению соотношения тока через
нагрузку к полному току. На рис. 1, б приведены аналогичные зависимости I(t) для
секционированных электродов. Амплитуда тока в плазме прежняя, в то время как амплитуда тока, протекающего через нагрузку, увеличилась. Эффективность энергосъема увеличилась до 78%.
В четвертом параграфе описаны результаты исследования модели МГДГ с вогнутыми электродами. Известно, что при натекании ударной волны на вогнутую поверхность реализуются различные режимы обтекания в зависимости от числа М, величины угла передней кромки вставки и радиуса кривизны поверхности. В любом
случае происходит торможение потока поверхностью, что сопровождается нагревом
заторможенного газа и повышением проводимости приэлектродного слоя.
На рис. 2 показаны картины взаимодействия потока с Т-слоем с электродными
вставками со сплошными А и секционированными Б электродами.
Рис. 2. Обтекание потоком с
Т-слоем вставок со сплошными А и секционированными
электродами Б.
Зависимости токов через электроды и через плазму для различных значений
индукции магнитного поля приведены на рис. 3, а.
Цифрами 1, 3, 5 отмечены зависимости величины тока в плазме от времени, полученные при величинах магнитной индукции внешнего поля B0 = 0,64, 0,32 и 0,16 Тл
соответственно. Цифрами 2, 4, 6 – соответствующие зависимости величины токов,
протекающих через нагрузку. Эффективность энергосъема по сравнению со случаем
сплошных электродов увеличилась. Проведенные измерения токов через нагрузку и
полных токов в Т-слое при различных условиях экспериментов показали, что эффективность токосъема увеличилась во всех случаях и приблизилась к 100% в случае
секционированной вставки при величине магнитной индукции 0,48 Тл (рис. 3, б).
б
а
Рис. 3. Зависимости токов через сплошные электроды и через плазму от величины магнитного поля (а) и для секционированных электродов при В = 0,32 Тл (б).
10
Рис. 4. Зависимости выделившейся в нагрузке энергии A (А) и максимального напряжения
между электродами в зависимости от нагрузки (Б).
Вставка с секционированными электродами позволила определить нагрузочные
характеристики модели МГДГ. Для этого были проведены измерения напряжений на
каждой из пар электродов для нагрузочных резисторов в диапазоне от 0,025 до 5 Ом.
Результаты представлены на графиках рис. 4.
По измерениям была оценена проводимость плазмы Т-слоя, которая оказалась
порядка 20 Ом–1см–1, что согласуется с теоретическим значением.
По результатам измерений было проведено сравнение мощности, выделяющейся
в нагрузке, с мощностью потока. Оказалось, что в нагрузке выделяется не более 10% от
мощности потока. Численные исследования Т-слоя продемонстрировали, что стабилизация токового слоя происходит в основном в результате потерь энергии на излучение.
Для экспериментальной проверки этого положения были проведены исследования, результаты которых изложены в следующих двух параграфах диссертации.
В пятом параграфе приведены результаты расчетов мощности излучения
Т-слоя, развивающегося в имеющейся установке. Расчеты позволили разработать болометрические датчики потока излучения с достаточным временным разрешением и
чувствительностью.
В шестом параграфе описаны конструкция датчиков, методика их калибровки и
результаты измерений.
На рис. 5 показаны сигналы 1 и 2 с магнитных зондов, расположенных в области максимально развитого Т-слоя и расположенного между ними болометрического
датчика. Сигнал с болометра 3 имеет два горизонтальных и один падающий участки.
Горизонтальные участки соответствуют интервалам времени, когда облучение болометра мало. Падающий участок сигнала с болометра соответствует прохождению
Т- слоем отметки r = 115 мм, когда поток излучения значителен. Полученные с болометра сигналы позволяют сделать следующие заключения относительно качественных характеристик болометра. Временное разрешение болометра достаточно высокое, инерционность незаметна – время перепада сигнала соответствует времени прохождения болометра Т-слоем. Второй горизонтальный участок свидетельствует о том,
что охлаждением нити болометра за счет теплопроводности можно пренебречь, температура нити во время облучения определяется только мощностью падающего излучения.
11
Рис. 5. Сигналы с магнитных зондов
(1, 2) и болометрического датчика,
расположенного между ними (3).
Оценка мощности светового потока дала величину порядка 1 кВт/см2. Сопоставив полученный результат с удельной мощностью джоулева нагрева в объеме Т-слоя
(W~5 кВт/см3), обнаруживаем, что эта величина соответствует полной мощности излучения из кубического объема со стороной 1 см. Эта оценка подтверждает основной
тезис теоретических исследований по физическому явлению Т-слоя о роли излучения
как основного стабилизирующего фактора на нелинейной стадии развития перегревной неустойчивости.
Таким образом, явление Т-слоя может применяться для создания мощных источников излучения.
Практическое использование явления Т-слоя представляется наиболее вероятным в первую очередь в малых автономных энергетических установках – транспортных и стационарных. Предпочтительным для них является МГДГ замкнутого цикла.
Генераторы с замкнутым циклом рабочего тела состоят из теплового источника
(ядерного или на химическом топливе), МГД-канала, теплообменника и компрессора,
возвращающего рабочее тело обратно в нагреватель. Здесь в качестве рабочего тела
могут использоваться простые вещества, это могут быть благородные газы – например, аргон, в котором, как показано выше, возможно развитие Т-слоя. Мы предлагаем
в качестве рабочего тела использовать щелочные металлы. Одно из преимуществ такого решения – возможность применения в качестве компрессора МГД-насос. Такие
насосы надёжны, имеют небольшие массу и габариты, применяются на действующих
атомных электростанциях для перекачки калий-натриевых сплавов, используемых в
качестве теплоносителя. С учётом того, что схема дискового МГДГ с Т-слоем обладает наилучшими массогабаритными характеристиками по сравнению с другими схемами, сочетание этой схемы и металлического рабочего тела в транспортных энергетических установках и иных автономных устройствах может оказаться весьма перспективным.
Седьмой параграф посвящен обсуждению вопроса выбора рабочего тела и численным экспериментам по инициированию Т-слоя в потоке плазмы щелочного металла. В качестве рабочего тела по результатам численных экспериментов был выбран
натрий.
В восьмом параграфе описан импульсный электроэрозионный источник плазмы
натрия со средним расходом 0,7 кг/с, разработанный автором для проведения экспериментальных исследований.
12
Исследования проводились при двух режимах работы источника плазмы – без
диафрагмы и с установкой пластиковой диафрагмы, задерживавшей начало истечения
плазмы в МГД-канал. В первом случае поток имел более высокую температуру и значительные температурные неоднородности, вызванные неустойчивостью электрических разрядов в источнике. Во втором случае истечение начиналось с задержкой порядка полупериода разрядного тока, что приводило к пониженной температуре потока и сглаживанию температурных неоднородностей.
В параграфе описаны результаты экспериментов по взаимодействию потока
плазмы натрия с магнитным полем с разным значением величины его индукции B.
Поток изначально содержал области с повышенной температурой. На рис. 6 показаны
фоторазвертки потока при разных значениях B. Фоторазвертки регистрировались при
расположении щели фоторегистратора вдоль радиуса канала R от точки R = 45 мм до
R = 160 мм. Хорошо прослеживается движение температурных неоднородностей (яркие полосы) вдоль канала. Наклон полос позволяет оценить скорость потока. Средняя
яркость полос тем выше, чем выше магнитная индукция и, соответственно индуцированный ток и связанные с ним температура плазмы и сила торможения потока. Фоторазвертка рис. 6, г зарегистрирована с использованием ослабляющего фильтра и поэтому выглядит менее яркой.
Приведенные фоторазвертки демонстрируют, что в магнитном поле менее
0,4 Тл поток не испытывает заметного тороможения. При более высоком значении
магнитной индукции заметно торможение ярких областей, аналогичное торможению
Т-слоев, возникающих в потоке аргоновой плазмы. Наблюдаются изломы траекторий
движения токовых слоев (например, рис. 6, в – на 950 мкс и рис. 6, г – на 900 мкс),
аналогичные излому траекторий движения токовых слоев в потоке плазмы аргона при
развитии Т-слоев. Полученные результаты позволяют предположить, что в потоке
натриевой плазмы также могут развиваться Т-слои.
В девятом параграфе приведены результаты исследования модели дискового
МГДГ с Т-слоем в потоке плазмы натрия. Для опытов была выбрана вставка с секционированными вогнутыми электродами. Величина нагрузки выбиралась из ряда 0,1;
0,2; 0,4; 1,0; 2,0; 5,0; 10,0 и  Ом. Опыты проводились при магнитной индукции B =
Рис. 6. Фрагменты фоторазверток течения плазмы натрия при различных величинах индукции магнитного поля B.
B = 0 (а); 0,16 (б); 0,4 (в); 0,64 Тл (г).
.
13
0,64 Тл в двух режимах – с высокой и низкой температурой торможения потока. Отличие этих режимов заключается в том, что в первом случае в потоке имеются спонтанно возникшие температурные возмущения потока достаточной амплитуды, чтобы
из них развился Т-слой. Во втором случае поток имеет пониженную температуру, поэтому Т-слой инициируется электрическим разрядом.
Оценка величины магнитного числа Рейнольдса проводилась из анализа нагрузочной характеристики модели генератора и дала величину Rm 0,3. Эта величина
сравнима со значением Rm  0,7, характерным для спонтанно возникающего Т-слоя в
потоке плазмы благородных газов. Это позволяет сделать предположение о том, что в
потоке плазмы натрия также возникает Т-слой.
Для исследований с инициированным Т-слоем необходимо было снизить температуру торможения потока плазмы натрия, чтобы в потоке не возникали токовые
слои спонтанно. В результате установки лавсановой диафрагмы толщиной 30 мкм эта
цель была достигнута. В этих экспериментах наблюдалось значительное ослабление
взаимодействия потока с магнитным полем, что выразилось в ослаблении яркости
свечения и отсутствии заметного торможения потока магнитным полем. Кроме этого,
поток стал более однородным.
Были получены нагрузочные характеристики генератора. Величина нагрузки
изменялась от 0,2 до 900 Ом, последнее значение практически соответствует режиму
разомкнутых электродов. Оценка величины магнитного числа Рейнольдса, выполненная на основании этих измерений, дала значение Rm  10–2. В развитом Т-слое этот
параметр должен быть не менее чем на порядок больше. Таким образом, можно заключить, что в этом случае Т-слой из внесенного температурного возмущения не развивался, по-видимому, по причине недостаточной величины индукции магнитного
поля.
Десятый параграф содержит выводы по главе.
Вторая глава посвящена исследованию дискового кондукционного
МГД-насоса.
Первый параграф содержит ведение, обзор литературы и постановку задачи.
Одним из наиболее эффективных применений методов магнитной гидродинамики может быть усовершенствование технологических процессов в металлургии.
Металлургические процессы являются многостадийными, включающими выплавку
металла, его транспортировку, обработку (дегазация, сепарация от посторонних примесей, внесение присадок, в том числе нанодисперсных инокуляторов, и т.д.) и, наконец, разливку. Каждая стадия в свою очередь является весьма трудоемким процессом
со своей сложной технологической цепочкой, однако общим негативным фактором
является контакт расплава с атмосферой. Решением проблемы явилось бы создание
закрытого цикла. Следует также отметить, что создание такого цикла позволило бы
существенным образом улучшить экологию производства. Важным элементом закрытого металлургического цикла является система подачи жидкого металла, которая
должна быть достаточно универсальной для всей цепочки внепечной его обработки, в
частности, с возможностью ввода легирующих присадок и нанодисперсных инокуляторов непосредственно в поток. В металлургии необходимо иметь технологию литья
под регулируемым давлением, позволяющую получать изделия практически любой
сложности и высокого качества. Такая технология позволит снизить себестоимость
производства за счет снижения затрат на доводку получаемых изделий, снижения материалоемкости и увеличения выхода годных изделий.
14
Во втором параграфе содержится постановка задачи и выбор схемы МГДнасоса. Проведенный анализ показал, что среди возможных схем кондукционных
МГД-насосов наиболее перспективной является дисковая схема центробежного кондукционного насоса (ЦКН). ЦКН обладает более высокой эффективностью по сравнению с линейным МГД-насосом в смысле потребляемого тока и допускает вынос
электродных токоподводящих узлов из рабочей зоны.
В третьем параграфе главы представлены результаты исследований, полученные на модели ЦКН, работающей с низкотемпературным рабочим телом, близким по
основным физическим параметрам к расплавам цветных металлов. Целью этих исследований было подтверждение работоспособности данной схемы на различных режимах, получение экспериментальных данных, необходимых для тестирования и верификации математических моделей ЦКН.
В экспериментах измерялись следующие величины: давление на выходе; ток
через насос; ток электромагнита; уровень расплава в резервуаре; текущее время; вес
перекаченного сплава.
В четвертом параграфе приведены результаты экспериментов со сплавом Розе.
На рис. 7 приведены зависимости давления (А) и расхода (Б) от параметра IB.
Экспериментально полученные характеристики модели ЦКН подтвердили работоспособность данной схемы насоса и адекватность применявшейся математической модели.
Проведенные экспериментальные исследования позволили получить опыт, необходимый для построения и изучения модели насоса, предназначенного для работы
с алюминиевыми конструкционными сплавами.
Пятый параграф посвящен изложению результатов исследования модели ЦКН,
предназначенного для перекачки алюминиевых сплавов и их модификации наноразмерными порошками. Эксперименты проводились со специально сконструированной
моделью ЦКН, рассчитанной на рабочую температуру до 800 С.
С этой моделью была проведена серия экспериментов по заливке и модифицированию алюминиевого сплава наночастицами. В качестве модифицирующих добавок использовались две композиции: 1) наноразмерные частицы порошка нитрида
алюминия (AlN) размером 40 – 60 нм, плакированные алюминием в соотношении 1:3;
2) металлизированные углеродные нанотрубки (МУНТ) размером менее 25 нм, плакированные алюминием, в соотношении 1:19. Концентрация наномодификатора со-
Рис. 7. Зависимость давления от параметра IB: А – в безрасходном режиме.
Точки – экспериментальные значения, сплошные кривые – расчет; Б – в расходном режиме.
Расход G указан в кг/с.
15
ставляла для композиции № 1 – 0,04 % по массе в расчете на AlN, а для МУНТ –
0,012% по массе в расчёте на МУНТ. В качестве исследуемого материала использовался сплав АК7.
Применение модифицирующих добавок проводит, как и в случае модифицирования сплавов АlSi12Cu2MgNi, AlSi7Mg при гравитационной заливке, к измельчению
зеренной структуры отливок и изменению ее морфологии. Так, немодифицированный
образец характеризуется развитой дендритной структурой со вторичными ветвями.
Эффективное модифицирующее воздействие получено при использовании композиции № 2. В этом случае наблюдается существенное измельчение кристаллического
зерна и формирование смешанной столбчато-глобулярной структуры, что может быть
связано с высокой дисперсностью и смачиваемостью наномодифицирующих частиц
МУНТ и, следовательно, большим модифицирующим эффектом.
Проведенное исследование макета насоса показало возможность организации
разливки модифицированного наночастицами алюминиевого сплава в закрытом цикле дискового кондукционного МГД-насоса. Высокая степень перемешивания сплава в
канале насоса способствует гомогенизации частиц в объеме жидкого металла, что
благоприятно сказывается на формировании однородной мелкодисперсной кристаллической структуры затвердевшего сплава и, как следствие, – к повышению механических характеристик литого металла.
Шестой параграф содержит выводы по главе.
Третья глава посвящена исследованию физико-химических процессов в дисковом МГД-ускорителе плазменных потоков и их взаимодействия с поверхностью.
В первом параграфе главы формулируется проблема разработки схемы пиролиза природного газа, альтернативной применяемым в химической промышленности
технологическим схемам, и содержится обзор литературы.
Анализ указанной проблемы позволил сформулировать задачу разработки
принципа разделения реактора на зону подвода необходимой энергии (зона ускорения
потока газообразного реагента) и зону, где осуществляется целевой эндотермический
процесс при торможении потока. Принцип разделения реактора на эти зоны было
предложено использовать для пиролиза природного газа. Реализация принципа разделения этих зон способна обеспечить однородное распределение энергии по реагенту и
проведение реакции во всем объеме реагента. Одновременно значительно уменьшится дисперсия времени пребывания реагента в зоне реакции и улучшится селективность реактора. Принцип разделения заключается в ускорении реагента при достаточно низкой статической температуре до такой скорости, чтобы плотность энтальпии потока была близка к плотности энергии, необходимой для проведения целевой
химической реакции. Например, энергия, достаточная для осуществления процесса
полной метан-этиленовой конверсии, будет запасена в форме кинетической энергии
потока при скорости около 4 км/с. Тогда в результате торможения потока на преграде
за скачком уплотнения могут быть созданы условия протекания целевой реакции. Закалка целевого продукта может осуществляться при последующем резком расширении потока. Новизна этого способа состоит в существенном использовании газодинамических методов управления химическими процессами. Таким образом, предлагаемый пиролитический реактор должен иметь в своем составе ускоритель потока, способный генерировать поток газообразного прекурсора до скорости в несколько километров в секунду.
16
После анализа известных способов ускорения потока автору наиболее перспективным представилось непосредственное ускорение потока с помощью МГД- ускорителя. МГД-ускоритель с дисковым каналом и радиальным протоком газа, позволяющий осуществлять безотрывное течение с большой степенью расширения, является
наиболее адекватным поставленной задаче.
На момент начала работ сведения о реализуемости предложенной схемы отсутствовали. Кроме того, не было обнаружено работ, в которых содержалось бы описание дискового МГД-ускорителя плазмы. Поэтому на первом этапе была проведена
проверка осуществимости процесса ускорения по предложенной схеме.
Во втором параграфе приводятся оценочные расчеты канала ускорителя, схемы
его питания, описаны конструкция ускорителя и принцип его работы. Для проверки
осуществимости предложенного метода ускорения и отработки экспериментальной
техники была проведена глубокая модификация установки, использовавшейся в качестве модели МГДГ с Т-слоем, описанной в первой главе диссертации.
Необходимым условием работы ускорителя является однородное распределение тока по объему канала (режим объемного разряда). Контрагирование разряда
приводит практически к исчезновению эффекта ускорения – возникшая электрическая дуга вращается в канале, почти не увлекая газ.
Общие качественные соображения, согласно которым производись оценки при
определении рабочих характеристик установки, состояли в следующем. Известные
результаты исследования самостоятельного объемного разряда получены в отсутствие внешнего магнитного поля и в основном в покоящемся газе. Режим объемного
разряда неустойчив, через некоторое время после образования происходит контрагирование разрядного канала. Рекордное значение длительности существования объемного разряда равно 40 мкс при характерном времени существования менее 1 мкс.
Условия разряда в предлагаемом нами МГД-ускорителе заметно отличаются от описанных в известных работах, поэтому был проведен экспериментальный поиск режимов объемного разряда. Такие режимы были установлены для различных плазмообразующих газов – аргона, гелия, воздуха, природного газа и некоторых их смесей.
Работа ускорителя исследовалась в двух режимах: в режиме без радиального
протока газа, когда нет источника газа в центре, и в режиме с протоком газа. В первом случае дисковый канал заполняется газом до некоторого начального давления p0
и ускорение происходит в замкнутом объеме. Во втором случае перед пуском канал
откачивается до давления менее 10 Па, разряд инициируется с некоторой задержкой
относительно переднего фронта импульса напряжения, подаваемого на электромагнитный клапан. За время задержки происходит заполнение канала газом.
В третьем параграфе описаны эксперименты с ускорителем в режиме без радиального протока газа. Здесь приведены результаты, полученные для различных значений величины магнитной индукции – от 0 до 0,24 Тл и для различных начальных давлений воздуха. Измерялись разрядный ток и напряжение на разрядном промежутке, а
также скорость потока. Скорость потока вычислялась по измерению напряжений
между электрическими зондами. Было получено максимальное значение скорости потока порядка 5 км/с. Были также проведены оценочные измерения скорости независимым способом – по величине максимального давления торможения потока. Эти измерения подтвердили достижение указанной скорости потока. Анализ энергетического баланса, проведенный на основе измерений, также подтвердил возможность достижения указанной скорости.
17
В четвертом параграфе описаны эксперименты по ускорению потока воздушной плазмы в режиме с радиальным протоком. В экспериментах проводились измерения радиальной и аксиальной компонент скорости потока на выходе из ускорителя,
разрядный ток и напряжение между электродами ускорителя в зависимости от расхода воздуха и величины магнитной индукции. Скорость потока может достигать значения 5 км/с. Среднее значение радиальной составляющей скорости 4 км/с.
Проведенные предварительные исследования модели ускорителя продемонстрировали перспективность предложенной схемы. Это позволило спроектировать и
построить стенд для исследования модели реактора, рассчитанного на исследование
пиролиза природного газа по предложенной схеме.
В пятом параграфе описан экспериментальный стенд, имеющий в своем составе дисковый МГД-ускоритель. Стенд является макетом химического эндотермического реактора с газодинамическим управлением и был изначально предназначен для
изучения процессов пиролиза природного газа.
Стенд рассчитан на исследование импульсного реактора с приведенной годовой производительностью не менее 500 т/год, что сравнимо с производительностью
полупромышленного реактора. Расчетная электрическая мощность реактора порядка
1 МВт. Продолжительность единичного пуска исследовательского реактора – порядка
0,05 с при времени пролета газа через канал на три порядка меньше. Это позволяет
считать, что в смысле протекания химических процессов наша установка является
квазистационарной. Схема питания ускорителя – двенадцатизвенная формирующая
линия выдает импульс напряжения практически прямоугольной формы.
Характерные временные зависимости напряжения на ускорителе и тока через
него показаны на рис. 8, а. На рис. 8, б приведены характерные зависимости величины компонент скорости потока природного газа от времени. Результат получен при
магнитной индукции 0, 25 Тл и расходе газа около 3 моль/с. Ускоритель находится в
устойчивом режиме работы, высокочастотная составляющая сигнала связана с особенностями замыкания тока на зонды.
Мощность в разряде в среднем равна 700 кВт, полная энергия, сообщенная потоку в этом эксперименте, составила величину 32 кДж. Всего в эксперименте было
б
а
Рис. 8. Временные зависимости напряжения в разрядном промежутке (1) и тока (2) через
ускоритель при B = 0,38 Тл (а), компонент скорости потока природного газа при стабильной
работе ускорителя (б).
1 – радиальная компонента, 2 – аксиальная компонента.
18
использовано 0,14 моля природного газа. Из них через разряд протекло 84%, что составило около 0,12 моля.
Приведенные результаты свидетельствуют, что нам удалось построить ускоритель потока природного газа с характеристиками, необходимыми для проведения исследований по пиролизу природного газа.
В шестом параграфе описаны эксперименты, в которых изучался состав ускоряемой плазмы. Для этого регистрировался спектр излучения потока плазмы метана в
ускорителях двух типов – рельсотроне и в дисковом МГД-ускорителе. В результате
было обнаружено, что в потоке содержатся атомарный водород и углерод в виде димеров. Наличие атомарного водорода позволило измерить распределение плотности
электронов по уширению линии Hβ и оценить температуру по отношению интенсивностей линий Hα и Hβ. Регистрация спектра излучения истекающего из ускорителя газа производилась для точки, расположенной на расстоянии порядка 10 мм от выхода
из канала. На рис. 9 звездочками показано распределение плотности электронов, полученное для режима ускорения, аналогичного режиму, при котором получены данные рис. 8, б.
Рис. 9. Распределение плотности электронов в потоке (звездочки) и направление потока относительно радиуса
канала (треугольники).
.
Оценочное измерение температуры проводилось для двух случаев – при свободном истечении и при натекании на преграду. Преградой являлась металлическая
пластинка с размерами 20×30 мм, которая устанавливалась на расстоянии около
15 мм от выхода из канала нормально направлению скорости потока. Ускоренный газ
натекал на пластинку, перед которой возникал скачок уплотнения. В этом случае излучение регистрировалось из области между скачком уплотнения и поверхностью
пластинки. Температура оказалась равной 3500 K и 8700 K для случаев свободного
истечения и из области торможения потока соответственно. Результаты измерения
плотности электронов и температуры свидетельствуют о сильном отклонении от равновесия. Была также изучена зависимость направления потока от расстояния до центра ускорителя. Оказалось, что направление потока, показанное на рис. 9 треугольниками, практически нормально к радиусу от центрального электрода почти до выхода
из канала. Только на расстоянии 20 мм до выхода появляется заметная радиальная
компонента скорости. На выходе из канала поток направлен под углом около 45
к радиусу.
Седьмой параграф посвящен изучению пиролиза природного газа. Проводилась
серия опытов с ускорителем без установки преграды, в которых исследовалась глубина конверсии природного газа собственно в ускорителе, работающем в различных
19
режимах. Далее проводилась серия опытов при различных конфигурациях тормозящих устройств. В табл. 1 показано процентное содержание продуктов реакции пиролиза природного газа, прошедшего через ускоритель без торможения в зависимости
от магнитной индукции. Видно, что степень конверсии природного газа в ускорителе
невысока, как и должно быть согласно нашим представлениям о процессах в нем.
Таблица 1
B, Тл
CH4
C2H6
C2H2
0
94,4
0,89
1,0
3,3
0,145
0,25
78,3
61,3
2,0
2,1
6,1
9,7
12,7
25,5
H2
Установка преграды приводит к заметному изменению состава продуктов реакции, пиролиз становится заметным. В табл. 2 показан процентный состав продуктов
пиролиза при различных значениях магнитной индукции – верхняя строка содержит
данные, полученные при B = 0,38 Тл, нижняя – .B = 0,28 Тл
Таблица 2
CH4
46,3
22,7
C2H4
1,11
0,22
C2H6
2,09
0,42
C3H8
0,55
0,042
C3H6
0,15
–
C2H2
8,0
1,1
H2
41,9
78,6
Во втором случае пиролиз более глубокий, о чем говорит более высокая концентрация водорода. Однако в первом случае концентрация ацетилена значительно
выше. Во всех случаях наблюдается дисбаланс по углероду. Это может быть связано с
тем, что в реакторе образуется значительное количество более тяжелых углеводородов и свободного углерода в различных формах.
Восьмой параграф главы посвящен нанесению тонких углеродных покрытий на
твердые поверхности и изучению их свойств. Для выявления наличия свободного углерода устанавливались различные преграды в потоке ускоренной плазмы природного газа.
Ожидалось образование темного покрытия типа графита или сажи. Однако в
результате воздействия потока плазмы на ее поверхности образовался радужный
слой. Следовательно, образовалось прозрачное покрытие.
Таким образом, дисковый МГД-ускоритель плазмы может использоваться для
нанесения покрытий. Обнаруженный способ обладает несколькими отличительными
свойствами по сравнению с методами, широко используемыми в технологиях нанесения пленок. Главное отличие заключается в использовании высокоэнтальпийного
сверхзвукового потока, содержащего вещества, из которых образуется пленка при обтекании подложки потоком. При этом соблюдаются следующие условия:
1. процессы генерации потока и его взаимодействия с подложкой описываются в
рамках модели сплошной среды;
2. плотность энтальпии в потоке в пересчете на частицу составляет порядок нескольких электронвольт, то есть имеет величину, сравнимую с характерной энергией
химических связей или превышающую ее;
3. процесс образования пленки происходит в мощном потоке ультрафиолетового
излучения, возникающего при торможении потока поверхностью подложки;
20
4. процессы генерации плазмы и образования пленки разделены пространственно,
поэтому могут регулироваться раздельно, в отличие от методов, использующих ВЧразряды.
Была проведена серия экспериментов для определения зависимости толщины
наносимой пленки от расстояния d. В этой серии температура подложки была комнатной. На рис. 10, а показана растровая электронная микрофотография скола кремниевой пластинки 1, покрытой пленкой 2, образовавшейся в результате однократного
обтекания плазмой природного газа. При раскалывании образца обнажился участок
поверхности подложки 3. Подложка находилась на расстоянии d = 70 мм. Поверхность пленки гладкая, края скола острые.
На графике рис. 10, б приведена зависимость толщин пленок от расстояния
между образцом и краем ускорителя. Измерения толщины проводились по микрофотографиям сколов на нескольких участках каждого образца. На графике приведены
средние значения толщины и ее среднеквадратичного отклонения. Общий характер
зависимости – уменьшение толщины с ростом d в области I, что связано с уменьшением плотности потока при удалении от ускорителя. Однако вблизи от ускорителя в
области II зависимость обратная, от d = 35 до d = 0 мм наблюдается уменьшение толщины пленки. Это связано с тем, что в этой области поток более горячий и плотный,
поэтому здесь более интенсивен процесс плазменного травления.
Скорость роста пленки может быть порядка 0,3 мм/с, что значительно выше,
чем для других известных методов нанесения углеродных пленок. Адгезия пленок
улучшается при увеличении температуры подложки. Если температура стеклянной
подложки во время несения пленки превышает 400 С, то образующаяся пленка не
отслаивается.
Измерение шероховатости поверхностей, покрытых углеродной пленкой, с помощью метода атомной силовой микроскопии показало значительный эффект сглаживания – для стекла высота шероховатостей уменьшилась с 300 до 10 нм, для кремния – с 50 нм до менее чем 10 нм. Аналогичный эффект наблюдался и для пластинки
из искусственного сапфира, хотя и заметно меньше. Эффект сглаживания поверхности наблюдался при любом допустимом конструкцией установки расстоянии (до 1 м)
.
Рис. 10. Нанесение пленки на поверхность монокристаллического кремния (100) при комнатной температуре
а – растровая электронная микрофотография скола кремниевой пластинки 1 с нанесенной на нее
пленкой 2; б – зависимость толщины наносимой пленки от величины d.
21
подложки от ускорителя. Можно предположить, что этот эффект обусловлен высокой
теплотой парообразования углерода, высвобождающейся при его конденсации на поверхностях. Конденсация приводит к плавлению тонкого приповерхностного слоя с
последующим сглаживанием силой поверхностного натяжения перед затвердеванием.
Этот механизм сглаживания согласуется с тем, что материалы с наименьшей теплопроводностью и более низкой температурой плавления (стекло) сглаживаются в
наибольшей степени.
Описывается возможное применение получаемых углеродных пленок – в качестве датчика паров органических веществ в атмосфере. Выяснилось, что получаемая
пленка становится пористой в результате плазменного травления плазмой кислорода,
это делает ее диэлектрические свойства чувствительными к примесям в атмосферном
воздухе. Исследован макет датчика паров этанола, пентана, толуола. По результатам
сделан вывод о том, что метод нанесения пленок при обтекании подложки высокоэнтальпийным сверхзвуковым потоком углеродной плазмы может быть использован
для высокопроизводительного изготовления датчиков для измерения концентрации
примесей в атмосфере.
Девятый параграф главы содержит выводы по главе.
В четвертой главе диссертации приведены результаты изучения воздействия
плазменного потока, генерируемого электродинамическим ускорителем (пушкой
Маршалла) на поверхность твердого тела.
Во введении обосновываются цели исследований и формулируются задачи и
методы измерений. Высокоэнтальпийный импульсный поток плазмы, взаимодействующий с твердой поверхностью, обладает несколькими особенностями, отличающими его от стационарного потока, при его воздействии на поверхность. Под высокоэнтальпийным потоком понимается поток, обладающий плотностью энергии порядка
нескольких электрон-вольт на частицу. Такой энергией обладает поток с температурой порядка 10000 К и скоростью порядка 10 км/с. Малое время воздействия, измеряемое обычно десятками микросекунд и менее, приводит к малой толщине слоя, подвергающегося изменениям. Кроме того, импульсное воздействие позволяет достигать
потоков с большой плотностью энергии. Таким образом, применение высокоэнтальпийных импульсных плазменных потоков для модификации твердых поверхностей
позволяют исследовать поведение тонкого поверхностного слоя различных веществ в
условиях высоких давления и температуры, а также интенсивного облучения в широком спектральном диапазоне – от вакуумного ультрафиолета до инфракрасного излучения. Изучение этих процессов имеет, кроме фундаментального научного значения,
также большой практический интерес. Отметим некоторые из практически значимых
проблем.
Первая из них – проблема улучшения свойств покрытий, нанесенных электрохимическим путем.
Вторая – улучшение промышленно используемых технологий плазменного
напыления порошков, в частности, нанесения жаростойкого защитного покрытия на
лопатки газовых турбин.
Мало изнашиваемые коррозионно-стойкие электроды широко используются во
многих электрохимических процессах. К таким электродам относятся, например, аноды из коррозионно-стойкого металла с покрытием из благородного металла (платина,
оксиды рутения, рения и т.д.). Металл основы должен обладать способностью к пас-
22
сивации, что препятствует анодному растворению участков, слабо защищенных покрытием. В качестве основы обычно используются титан, тантал, ниобий, при этом
наиболее широкое распространение получил титан как сравнительно недорогой и обладающий хорошими механическими и электрохимическими свойствами материал.
Однако проблема стойкости платинированных электродов в технологических
процессах по-прежнему остается весьма острой, так как срок их службы невелик, а
стоимость высока. Выход платинированного титанового электрода из строя связан,
как правило, с пористостью и плохим сцеплением покрытия с подложкой. В связи с
этим поиск новых подходов к улучшению характеристик, увеличению срока службы
и упрощению технологии получения таких электродов является весьма актуальной
задачей. Решение данной проблемы, наряду с усовершенствованием существующей
технологии электрохимического платинирования титана, по-видимому, должно
включать разработку альтернативных методов нанесения покрытий, новых способов
предварительной очистки и активации поверхности в процессе электроосаждения
или, возможно, дополнение процесса электроосаждения операцией импульсной химико-термической обработки. Такие возможности предоставляют технологии, использующие импульсные высокоэнтальпийные плазменные потоки, при этом существующее оборудование позволяет получать плазму практически любого элементного
состава со скоростью потока до 100 км/с и давлением торможения до нескольких килобар. Температура плазмы может достигать десятков тысяч градусов, время ее воздействия на мишень составляет 10–6 – 10–4 с, а энергия бомбардирующих поверхность
частиц (ионов, атомов) может достигать нескольких электрон-вольт, что сравнимо с
энергией химических связей. В результате такая обработка содержит комплекс термомеханического, радиационного и плазмохимического механизмом воздействия, при
этом вклад каждого из механизмов может быть различным в зависимости от параметров потока. Характерной особенностью такой обработки является малая глубина модифицируемого слоя, что позволяет сохранить полезные эксплуатационные свойства
в объеме материала.
В диссертации представлены экспериментальные результаты исследования
процессов модификации поверхностей титана и титана с нанесенным платиновым покрытием посредством их обработки высокоэнтальпийной водородной или аргоновой
плазм.
Существует несколько недостатков, присущих технологиям плазменного напыления порошков, для устранения которых требуется разработка новых способов дополнительной обработки поверхности. Среди них:
 пористость и отщепление покрытия, приводящие к плохому сцеплению с поверхностью;
 недопустимая шероховатость поверхности после нанесения покрытия;
 повреждение поверхности во время электродуговой очистки и недостаточная
очистка в углах.
Решением всех этих проблем может явиться использование импульсноплазменной обработки поверхности, обеспечивающей контролируемую комбинацию
механической и тепловой нагрузки в сочетании с плазмохимическим воздействием.
Крайне желательно избежать появления каких-либо существенных напряжений в основном материале.
23
Кроме того, существует ряд приложений, в которых импульсная плазма может
быть удобным инструментом в технологиях:
 модификации и активации поверхности подложки перед нанесением покрытия;
 создания плотной оксидной пленки на покрываемой поверхности для улучшения стойкости к окислению (если применяется керамическое покрытие, такой
слой оксида улучшает долговечность покрытия);
 модификации микроструктуры покрытия для улучшения его механической и
коррозионной стойкости.
С физической точки зрения вышеуказанные цели могут быть достигнуты посредством пластической деформации покрытия и (или) подложки при превышении
предела текучести материала в результате импульсного воздействия высокоэнтальпийным плазменным потоком. Не считая механических методов, лучшим способом достичь этого является метод, базирующийся на использовании управляемых термомеханических напряжений в покрытии и подложке, возникающих при коротких импульсах
давления и (или) больших температурных градиентах, направленных внутрь обрабатываемой детали. Импульсная плазма, создаваемая электромагнитными пушками, является идеальным инструментом для достижения указанных выше целей, так как оказывает
механическое и тепловое воздействие. Такие устройства, как детонационная пушка, создают поток высокого давления с малой энтальпией и, следовательно, могут обеспечить только эффект давления. Лазерные, электронные или ионные импульсы, интенсивное излучение могут производить только тепловое воздействие на поверхность. В зависимости от более важного механизма модификации поверхности и покрытия из двух
упомянутых выше способов воздействия можно выбрать наиболее удобный инструмент.
Для гарантии максимальной эффективности и недопущения повреждения поверхности
может применяться предварительный нагрев материала до точки размягчения.
Во втором параграфе описаны экспериментальные установки – электродинамические ускорители плазмы, использовавшиеся для модификации поверхностей. Приводятся их принципиальные схемы, рабочие параметры и характеристики получаемых потоков плазмы.
В третьем параграфе приводятся экспериментальные результаты обработки образцов из титана, без предварительно нанесенного покрытия и покрытых платиной
электролизом. Плазменная обработка приводила к изменению морфологии поверхностного слоя – исчезли следы прокатки образцов и наблюдался рост дефектности
структуры, о чем свидетельствует уширение рентгеновских линий при рентгеноструктурном анализе образцов.
В четвертом параграфе приведены экспериментальные результаты обработки
жаростойких материалов. В качестве исследуемых образцов были использованы пластины из жаропрочного сплава IN738, покрытые тонким защитным слоем (до 0,5 мм)
материала SV20. Защитный слой наносился методом плазмотронного напыления порошка из сплава SV20. Изучаемый объект моделировал поверхность лопатки газовой
турбины. Проводилась обработка плазмой при температуре образцов T 0 = 900 и
1100 ºС. Для разделения эффектов плазменного воздействия и термоциклирования
была проведена серия экспериментов с термоциклированием, но без плазменного
воздействия.
Результаты исследования пористости и микроструктуры покрытия представлены на рис. 11.
24
}
а
покрытие
б
}
покрытие
г
в
Рис. 11. Модификация покрытия. Исходные микроструктура (а) и пористость (б) напыленного слоя. После плазменной обработки: микроструктура (в) и пористость (г).
Обработка импульсной плазмой уменьшает пористость почти до полного исчезновения, создает очень хорошую микроструктуру и сглаживает поверхность, однако термоциклирование без плазменной обработки производит некоторый эффект отжига (но следы слоистости, возникшей при напылении, еще остаются) и не избавляет
от пористости.
Выяснилось, что температура, при которой находятся образцы, существенно
влияет на процесс модификации. Так, образцы, обработанные при комнатной температуре, не демонстрируют признаков модификации покрытия. Механические напряжения, приложенные во время ударов плазменными сгустками, сопоставимы с
напряжением текучести материала покрытия, которое составляет порядок 1 МПа при
900 ºС. Поэтому требуется много импульсов для существенной модификации покрытия. При температуре 1100 С, когда механическая прочность SV20 пренебрежимо
мала по сравнению с импульсом давления, было достаточно одного импульса для почти полного закрытия пор.
Можно также видеть, что все обработанные образцы имеют более гладкую
внешнюю поверхность покрытия по сравнению с необработанными. Очевидно, что
такая обработка при оптимальных параметрах (температуре предварительного нагрева и энергии импульса) может быть очень эффективным инструментом для модификации покрытий.
Кроме модификации напыленного слоя, подобное плазменное воздействие может быть использовано для подготовки поверхности жаропрочного материала перед
последующим напылением защитного слоя – управляемого наращивания оксидного
слоя и повышения уровня внутренних напряжений и количества дислокаций в материале. Широкая практика плазменного напыления говорит, что такая подготовка поверхности создает предпосылки для очень хорошей адгезии напыляемого слоя к подложке.
25
Пятый параграф содержит выводы по главе.
Описанные в главе методы обработки защитных жаростойких покрытий поверхностей лопаток газовых турбин, защищены европейским патентом.
Пятая глава диссертации посвящена экспериментальному решению задач
МГД-управления сверхзвуковым потоком, ионизованным электронным пучком и
инициированию горения топлив в сверхзвуковом потоке с помощью ионизации потока электронным пучком или инжекцией высокоэнтальпийного плазменного сгустка.
Во введении к главе обосновывается актуальность поставленных задач и приводится литературный обзор методов их решения, основанных на плазменном воздействии на потоки, использованных другими исследователями. Задача ионизации
сверхзвукового потока электронным пучком с целями организации МГД-управления
в рамках концепции AJAX или инициирования горения ранее экспериментально не
решалась ввиду отсутствия пригодной для этого электронной пушки. Поэтому формулируется основная задача – разработка принципиальной схемы пригодной для обозначенных задач электронной пушки и экспериментальная демонстрация ее пригодности для достижения поставленных целей.
Во втором параграфе описаны принципиальная схема модельного эксперимента по реализации МГД-управления сверхзвуковым воздушным потоком, натекающим
на плоский клин, и импульсная аэродинамическая установка для его проведения.
Условия эксперимента следующие: число М = 8 при статическом давлении порядка
5000 – 10000 Па. Рабочая область находится в магнитном поле с индукцией B с величиной до 2,5 Тл, направленном нормально к потоку. Перед клином поток ионизуется
электронным пучком, направленным вдоль магнитного поля.
Индуцированный в потоке электрический ток I испытывает силу Ампера F, что
приводит к отклонению потока от первоначального направления и изменению угла
наклона скачка уплотнения γ0→ γ1. Цель эксперимента – зарегистрировать это изменение угла (γ1 - γ0).
Эксперименты проводились на специально построенной импульсной аэродинамической установке, в качестве источника потока в которой использована ударная
труба с электроразрядным подогревом толкающего газа (гелий) в камере высокого
давления увеличенного диаметра, что позволило получить достаточную продолжительность рабочего режима, время истечения воздуха составляло величину около
1 мс. Воздух, нагретый до температуры в диапазоне от 1000 К до 3000 К (расчет), через диафрагменный узел поступал в коническое сопло, в котором ускорялся до числа
М = 8 (расчет) и поступал в рабочую часть. Диаметр сопла на выходе 120 мм.
Подобных экспериментальных исследований ранее не проводилось. Ключевым
элементом было создание электронной пушки, способной работать в сильном магнитном поле и ионизовать поток с такими характеристиками. Было испытано, как
описано в диссертации, несколько вариантов электронных пушек, в результате чего
была разработана пушка с оксидным термоэлектродным катодом собственной конструкции. Ее особенностями являются способность генерировать импульсы электронного тока с амплитудой, значительно превышающей ток насыщения термоэмиссии, низкую энергию электронов, согласованную с плотностью и размерами потока, и
возможность быстрого ремонта. Рабочий ресурс пушки – порядка 10 пусков, чего было достаточно для проведения поисковых экспериментов.
На рис. 12 показана зависимость прошедшего через поток электронного тока от
времени. Амплитуда тока около 1 А, время действия около 60 мкс.
26
Рис. 12. Временная зависимость тока электронного пучка, прошедшего через поток.
Энергия электронов не превышает 1 кэВ, поскольку напряжение на ускорительном промежутке имеет величину порядка 1 кВ.
В третьем параграфе описаны эксперименты по МГД-управлению потоком.
Проводимость воздушного потока при числе М = 8, облучаемого электронным пучком, была оценена по измерениям тока между парой электродов, помещенным в поток, и составила величину около 3 см, т. е. теоретически достаточную для МГДуправления потоком.
Была проведена серия экспериментов по МГД-управлению потоком, обтекающим клин. Регистрировалось изменение положения скачка уплотнения с помощью
интерферометрии.
На рис. 13 представлен результат обработки одного из экспериментов. Определялся угол наклона скачка уплотнения на обоих кадрах по точкам излома интерференционных полос.
Второй кадр делался полупрозрачным и совмещался с первым. Изображения
скачков (обозначенные белой и черной линиями) показывали наличие или отсутствие
эффекта изменения угла наклона скачка на 2-м кадре. Видно, что скачок уплотнения
отходит от обтекаемой поверхности (угол наклона скачка увеличивается). Заметим,
что для управления расходом через воздухозаборник скорее требуется уменьшать
угол наклона скачка.
.
Рис. 13. Смещение скачка уплотнения.
Черные линии – положение скачка до включения электронной пушки, белые – через 270 мкс, во время облучения потока электронами.
27
Магнитная индукция составила величину B = 1,9 Тл, интервал времени от
включения электронной пушки до момента регистрации интерферограммы равен
65 мкс.
Таким образом, была впервые экспериментально продемонстрирована принципиальная возможность создания достаточной проводимости гиперзвукового потока с
помощью электронной пушки для осуществления МГД-управления таким потоком.
Решение проблемы ионизации сверхзвукового воздушного потока позволило
рассмотреть возможность инициирования химических реакций в потоках, в частности
горения топлив.
В четвертом параграфе описана разработанная автором электронная пушка на
эффекте «убегающих электронов». Эта пушка способна генерировать электронный
пучок при давлении в ускорительном промежутке до 1000 Па (в водороде). Амплитуда тока (рис. 14) может достигать величины сотен ампер (до 1 кА) при длительности
пачки импульсов несколько сотен микросекунд. В импульсе наблюдаются как электронный, так и ионный токи.
На рис. 15 сравниваются зависимости тока коллектора от времени при откачанной пушке 1 и при ее заполнении водородом до давления p = 200 Па 2. При заполнении пушки газом величина ионного тока резко уменьшается по отношению к величине электронного тока.
Следующие три параграфа, с пятого по седьмой, посвящены описанию установки и результатам экспериментов по инициированию горения смесей различных
топлив (водорода и углеводородов) с кислородом и воздухом. Обнаружено, что инициирование горения (рис. 16) происходит в определенной последовательности: сначала происходит диссоциация исходных веществ (в случае водорода – полная), затем,
после прекращения облучения электронами протекает ассоциация. В случае водородкислородной смеси задержка ассоциации оказалась заметно больше, чем для углеводород-кислородных смесей. Кроме этого, обнаружено также качественное отличие
этих процессов. Зависимость интенсивности свечения для смеси метан-кислород колеблется и имеет шесть максимумов, аналогичные зависимости получены для других
углеводородов – вплоть до керосина. Обнаружение колебаний свечения стало возможным в связи с объемной однородностью условий в реакторе. Для водорода кривая
имеет один максимум.
.
Рис. 14. Зависимости напряжения на разряде
1 и тока 2 коллектора от времени.
Рис. 15. Зависимости тока коллектора от
времени при давлениях:
1 – p = 0,2 Pa, 2 – p = 200 Pa (H2).
28
Рис. 16. Интенсивность излучения радикалов OH:
1  для стехиометрической смеси CH4+2O2,
для смеси 2H2+O2.
2  то же
.
Время нарастания интенсивности свечения в первом случае менее 100 мкс, во
втором – около 400 мкс. Значит, следует ожидать уменьшения времени инициирования реакции горения углеводородов по сравнению с водородом при инициировании
горения электронным пучком.
В восьмом параграфе излагаются оценочные модели процессов инициирования
горения в покоящихся смесях электронным пучком. Были рассчитаны временные зависимости концентраций частиц, участвующих в химических процессах, давления и
температур (электронной, поступательной и вращательной). На основании полученных зависимостей делается вывод о том, что временем индукции следует считать
время, в течение которого идут стимулируемые свободными электронами реакции в
системе заряженных частиц.
В девятом параграфе описываются эффекты взаимодействия электронного пучка со сверхзвуковым потоком, воздушным, а также с инжекцией природного газа.
Десятый параграф содержит результаты экспериментов по инициированию горения природного газа в в модели сверхзвуковой камеры сгорания облучением электронным пучком. Объективным свидетельством горения в потоке служит снижение
давления торможения, регистрируемого датчиком напора на выходе из камеры сгорания. На рис. 17 показаны типичные сигналы с датчика давления, измеряющего скоростной напор.
Кривая 1 получена без подачи природного газа в камеру сгорания. На графике
стрелкой показан момент инициирования горения. С задержкой менее 5 мс наблюда-
Рис. 17. Типичная временная зависимость полного
напора.
1 – без инициирования горения, 2 – с инициированием горения электронным пучком.
29
ется снижение давления, связанное с тем, что нагретая электронным пучком область
газа достигает датчика. Затем давление становится таким же, как без облучения потока. В случае подачи в поток природного газа наблюдается заметное снижение давления относительно чистого воздушного потока с момента инициирования горения
плюс та же задержка 5 мс до конца времени наблюдения. Это, как мы считаем, связано с успешным инициированием реакции горения природного газа в потоке. Результат получен при температуре торможения 300 К и давлении торможения 1,1 МПа.
В одиннадцатом параграфе описаны эксперименты по инициированию горения
в сверхзвуковом потоке воздействием высокоэнтальпийного плазменного сгустка,
проделанные для сравнения со способом инициирования горения электронным
пучком.
В экспериментах в канале постоянного сечения сравнивались течения без инжекции и с инжекцией природного газа при различных давлениях торможения. Регистрировались фоторазвертки течения, спектры излучения и давления в различных
точках (рис. 18).
Возрастание статического давления в волне сжатия при инжекции природного
газа позволяет определять количественно интенсивность горения. В табл. 3 приведены значения относительного роста давления Пито при различных параметрах торможения. Во всех случаях наблюдается значительный рост давления во фронте волны
сжатия, связанный с протеканием здесь экзотермической реакции
Эксперименты по инициированию горения с помощью сгустка плазмы, генерируемого рельсотроном, были проведены также на импульсной трубе ИТ-302 ИТПМ
СО РАН.
Рис. 18. Временные зависимости статического
давления на расстоянии 240 мм от ускорителя.
1 – без инжекции природного газа, 2 – с инжекцией
природного газа.
Таблица 3
№ пуска
1
2
3
4
T0, K
P0, MPa
300
300
1000
1000
1
5
1
5
30
Pмакс/Pначальное
2,8
2,2
2,3
2,2
Рис. 19. Фрагмент киносъемки с частотой кадров 1 кГц.
На рис. 19 приведены кадры скоростной киносъемки после инициирования горения. Первый кадр содержит изображение плазменного сгустка, инжектированного
рельсотроном. Свечение наблюдается в каверне в течение последующих 15 кадров,
т.е. на протяжении 15 мс. Свечение газа не сопровождается заметным ростом давления (рост на 6%).
Заключение
1. Впервые экспериментально изучено улучшение электрического контакта
сверхзвукового потока плазмы с вогнутыми электродами МГДГ. Продемонстрирована возможность полного замыкания индуцированного в Т-слое тока на
нагрузку.
2. Впервые экспериментально измерены мощности каналов энергетических потоков в модели МГДГ с Т-слоем и показано, что такой генератор, в котором в качестве рабочего тела применена плазма благородного газа (аргона), в основном
преобразует энергию потока в излучение.
3. Для эффективной генерации электроэнергии МГДГ с Т-слоем необходимо значительное снижение потерь на излучение. С этой целью впервые предложено
использовать в качестве рабочего тела плазму щелочного металла, наиболее
перспективного для применения в МГДГ замкнутого цикла. Экспериментально
продемонстрирована возможность создания МГДГ с Т-слоем на плазме натрия.
4. Впервые предложен и экспериментально продемонстрирован процесс внесения
нанопорошковых модификаторов в металл с помощью центробежного МГДнасоса. Получены экспериментальные данные для верификации численной модели такого насоса.
5. Впервые предложен и исследован дисковый МГД-ускоритель плазменных потоков. Получена скорость потока порядка 10 км/с при расходе в несколько молей газа в секунду. Продемонстрированы и исследованы эффекты:
 пиролиза природного газа,
 травления поверхностей потоком плазмы благородных газов, генерируемой
этим ускорителем,
 нанесения пленок на поверхность, в том числе из углерода, нитрида титана,
кремния, карбида и нитрида кремния. При этом получена скорость роста уг31
6.
7.
8.
9.
10.
леродной пленки порядка 1 мкм/с, что на несколько порядков выше скорости
роста, достижимой с помощью известных технологий.
 сглаживания поверхности при ее обтекании плазмой углеводородной плазмы.
Впервые обоснован и продемонстрирован плазменно-импульсный способ модификации поверхностей и уплотнения напыленного с помощью плазменнопорошкового метода защитного жаростойкого слоя.
Впервые экспериментально продемонстрирован эффект МГД-взаимодействия
сверхзвукового воздушного потока, ионизированного электронным пучком.
Впервые продемонстрировано инициирование горения широкоапертурным
электронным пучком в покоящейся смеси и в сверхзвуковом воздушном потоке
струи природного газа, при этом было показано, что инициирование горения
происходит после диссоциации газов, входящих в состав горючей смеси.
Проведено сравнение двух способов инициирования горения в сверхзвуковом
потоке – с помощью объемного воздействия электронным пучком и с помощью
воздействия плазменным сгустком, генерируемым рельсотроном.
Для выполнения исследований, описанных в диссертации, автор модифицировал несколько известных экспериментальных методик и методик измерений, а
также разработал и изготовил новые инструменты:
 электроэрозионный источник плазмы щелочного металла с расходом порядка 1 кг/с;
 дисковый МГД-ускоритель плазмы;
 электроразрядную электронную пушку на эффекте «убегающих электронов».
32
СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:
1. Кацнельсон С.С., Гриднев Н.П., Поздняков Г.А.. Магнитогидродинамический источник света с высокотемпературным токовым слоем // ИФЖ. – 2003. – № 1. –
C. 114-119.
2. Кацнельсон С.С., Оришич А.М., Поздняков Г.А. Экспериментальное исследование
МГД-источника света с Т–слоем // ПМТФ. – 2003. – Т. 44, № 5. – С. 23-29.
3. Кацнельсон С.С., Маслий А.И., Поздняков Г.А., Сидельникова О.Н.. Воздействие
импульсного высокоэнтальпийного потока плазмы на титан и титан с платиновым
покрытием // Физика и химия обработки материалов. – 2005. – № 2. – С. 42-48.
4. Кацнельсон С.С., Поздняков Г.А. Инициирование процессов горения водороднокислородной смеси под воздействием сильноточного электронного пучка низкой
энергии // ФГВ. – 2007. – Т. 43, № 2. – С. 10-17.
5. Поздняков Г.А. Дисковый газофазный магнитогидродинамический ускоритель //
Письма в ЖТФ. – 2007. – Т. 33, вып. 11. – С. 52-56.
6. Денисова Н.В., Кацнельсон С.С., Поздняков Г.А. Визуализация быстропротекающих плазмохимических процессов на основе метода компьютерной томографии //
Физика плазмы. – 2007. – Т. 33, № 11. – С. 1042-1047.
7. Golubov A.I., Katsnelson S.S., Pozdnyakov G.A. Interaction of a high-enthalpy plasma
jet with surfaces and chemically active media // IEEE Transactions on Plasma Science.
– 2010. – V. 38, No. 8. – P. 1840-1849.
8. Свиташева С.Н., Поздняков Г.А., Щеглов Д.В., Настаушев Ю.В. Оптические свойства и морфология алмазоподобных пленок, полученных в сверхзвуковом потоке
углеводородной плазмы // Автометрия – 2011. – Т. 47, № 5 –. С. 59-66.
9. Svitasheva S.N., Pozdnyakov G.A. Monitoring Technological Conditions for Preparing
DLC Films in Supersonic Flow of Hydrocarbon Plasma.// Key Engineering Materials. –
2013 – V. 538 – P. 281-284.
10. Katsnelson S.S., Pozdnyakov G.A. Experimental study of a centrifugal conductive
MHD pump // IEEE transactions on plasma science. – 2012. – V. 40, No. 12. – P. 35283532.
11. Кацнельсон С.С., Поздняков Г.А. Моделирование режимов работы центробежного
кондукционного магнитогидродинамического насоса // ПМТФ. – 2013. – Т. 54,
№5. – С. 81-87.
12. Goldfeld M.A., Katsnelson S.S., Pozdnyakov G.A. Investigation of plasma bunch for
artificial ignition of fuel in supersonic flow // Proceedings of 5th European Conference
for Aeronautics and Space Sciense (EUCASS 2013) – Munich – 2013 ISSBN: 978-84941531-0-5.
13. Dultsev F.N., Kolosovsky E.A., Nastaushev Y.V., Pozdnyakov G.A. Investigation of the
properties of amorphous carbon films obtained in a supersonic gas jet // Surface and
Coatings Technology. – 2014. – V. 246, 15 May – P. 46-51.
14. Nastaushev Yu.V., Pozdnyakov G.A., Gavrilova T.A., Fedosenko E.V., Dultsev F.N.
Diamond-Like Carbon Films Formed by Means of Pulsed Supersonic Plasma Flow
Deposition // Solid State Phenomena. – 2014. – V. 213. – P. 137-142.
33
15. Katsnelson S.S., Pozdnyakov G.A., Experimental study for verification computational
modeling of operation of the conductive MHD centrifugal pump // Proceedings of 11th
World Congress on Computational Mechanics (WCCM 2014) 5th European Conference
on Computational Mechanics (ECCM 2014) and 6th European Conference on Computational Fluid Dynamics (ECFD 2014). – 2014. – P. 2280-2285
16. Katsnelson, S.S., Pozdnyakov, G.A., Computer modeling of operation of the conductive MHD centrifugal pump // Proceedings of 11th World Congress on Computational Mechanics (WCCM 2014) 5th European Conference on Computational Mechanics
(ECCM 2014) and 6th European Conference on Computational Fluid Dynamics (ECFD
2014). – 2014. – P. 7325-7332.
17. Goldfeld M.A., Pozdnyakov G.A Ignition of Hydrocarbon-Air Supersonic Flow by Volumetric Ionization // Journal of Thermal Science. – 2015. – V.24, No. 6 – P. 583-590.
18. Katsnelson S. S., Pozdnyakov G. А., Aleksandrovsky D.A. On the initiation of combustion by means of supersonic high-enthalpy jet. // Proceedings of 30th International Symposium on chock waves 1 ISSW30 – volume 1 //Springer International Publishing AG.
– 2017 – P. 511-517. – DOI 10.1007/978-3-319-46213-4.
19. Fedoseeva Yu. V., Pozdnyakov G.A., Okotrub A.V., Kanygin M.A., Nastaushev Yu. V.,
Vilkov O.Y., Bulusheva L.G. Effect of substrate temperature on the structure of amorphous oxygenated hydrocarbon films grown with a pulsed supersonic methane plasma
flow // Applied Surface Science. – 2016. – V. 385. – P. 464–471.
ПО РЕЗУЛЬТАТАМ РАБОТЫ ПОЛУЧЕНЫ ПАТЕНТЫ:
1. Патент RU 2222569 Способ проведения газофазных реакций / В.М. Фомин,
В.П. Фомичев, С.С. Правдин, Г.А. Поздняков, В.Н. Шепеленко, В.Н. Пармон,
В.Н. Снытников, Вл.Н. Снытников, В.О. Стояновский. Заявка № 2002109136,
регистр. от 27.01.2004, приоритет от 08.04.2002. Опубл. 27.01.2004. Бюл. № 3
2. EP1215301. Method for treating the bond coating of component / Katsnelson S.S.,
Khan A.S., Pozdniakov G.A., Zagorski A. C23C8/36, 19.06.2002; priory date
18.12.2000.
34
Ответственный за выпуск Г.А. Поздняков
Подписано в печать 6.03.2018.
Формат бумаги 60×84/16, Усл. печ. л. 2.1,
Уч.-изд. л. 1.9, Тираж 150 экз., Заказ № 6
Отпечатано в типографии ООО «Параллель»
630090, Новосибирск, Институтская, 4/1
35
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
2
Размер файла
1 490 Кб
Теги
экспериментальной, методов, потоками, изучения, управления, генерации, проводящими
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа