Моделирование разряда с использованием аналитических методов

  1. Разработан вариант полуэмпирической аналитической одномерной модели тлеющего разряда в смеси атмосферных газов при пониженных давлениях и больших (порядка 0.5 м) межэлектродных расстояниях, представляющего собой исходных (стартовый) объект для исследований, направленных на создание CES – анализатора газовых примесей в воздушной смеси, включающий:
  • вариант полуэмпирической модели положительного столба тлеющего разряда в воздушной смеси, позволяющую оценивать электронную температуру и напряженность электрического поля в нем;
  • вариант полуэмпирической модели прикатодного слоя тлеющего разряда в воздушной смеси;
  • расчет теоретической зависимости от давления падения напряжения на межэлектродном зазоре для различных напряжений высоковольтного источника для нормального и аномального режимов тлеющего разряда.

 

Рис. 1. Учебно-научная установка для исследований тлеющего разряда в воздушной смеси при пониженных давлениях

 

2. Проведены тестовые измерения электрических параметров тлеющего разряда в воздушной смеси (рис. 1) (в нормальном и аномальном режимах), в результате которых:

  • получены зависимости эффективного сопротивления межэлектродного промежутка от давления смеси газов;;
  • получены зависимости падения напряжения на разрядном промежутке от давлений, изменяющихся в диапазоне от единиц до сотых долей Торра;
  • проведен анализ пригодности использованного типа промышленно выпускаемой установки и доступных вариантов лабораторных стендов и комплексов сходного назначения для решения запланированных задач Лаборатории нелокальной плазмы;
  • предложен вариант лабораторного стенда и сформулирован набор требований к нему для обеспечения экспериментального сопровождения фундаментальных и прикладных исследований в Лаборатории нелокальной плазмы;
  • создано пригодное к внедрению в учебный процесс описание выполняемой на промышленно выпускаемой установке учебной лабораторной работы, включающей в себя элементы научного исследования и его углубленный вариант, дополненный заданиями на выполнение численного моделирования разряда в атмосферной смеси при пониженных давлениях и мультимедийное приложение к описанию.

3.Проведены сравнения результатов экспериментальных измерений и расчетов (рис. 2) по современным полуэмпирическим моделям электрических параметров тлеющего разряда в атмосферном воздухе; показано, что в случае тлеющих разрядов в воздушных газовых смесях при пониженных давлениях основанная на используемых сегодня полуэмпирических аналитических методах численная модель при правильном описании общего характера хода зависимостей приводит к существенным (вплоть до 100%)  количественным расхождениям с экспериментом (как в режимах нормального, так и аномального разрядов), что свидетельствует в пользу необходимости развития новых численных методов моделирования нелокальной плазмы, существенно более корректно  учитывающих совокупность протекающих в ней элементарных процессов.

4. На базе результатов выполненного исследования сформированы технические требования к многофункциональному экспериментальному стенду Лаборатории нестационарной плазмы и подготовлен вариант учебной работы с элементами научного исследования для обучения молодых исследователей, готовых работать по тематике лаборатории.

 

Рис. 2. Сравнение теоретически полученной зависимости напряжения между электродами трубки от давления в ней (нижние синие графики) с экспериментально полученными гистерезисными зависимостями (откачка трубки – маркеры в виде квадратов, напуск воздуха –треугольные маркера) для двух питающих напряжений: a, b - 5.1 кВ, c, d - 3 кВ.