WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 12 03;05;12 Влияние геометрии разрядной камеры на эффективность дугового способа производства фуллеренов. I. Осесимметричный случай © Н.И. Алексеев, Г.А. Дюжев Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, 194021 Санкт-Петербург, Россия e-mail: aleks@mail.ioffe.ru (Поcтупило в Редакцию 2 февраля 2005 г.) Впервые проведен расчет газодинамики разрядной камеры для производства фуллеренов дуговым методом в атмосфере инертного газа. Показано, что принципиальную роль в формировании газодинамической картины в камере играет турбулентная веерная струя, формируемая истечением углерода из разрядного зазора.

Построены расчетные зависимости доли фуллеренов, выносимых из камеры по отношению к количеству произведенных фуллеренов. Варьируемыми параметрами расчета были прокачка газа и геометрические размеры камеры: радиус и длина камеры. Проанализирован один из возможных путей более эффективного вывода фуллеренов из камеры — тангенциальная закрутка газа.

Введение 2. В области источника формируется газоплазменная струя. Ее начальную скорость можно оценить как Сложность процесса образования фуллеренов в дуDP nC T V0 = +, (1) говом методе их производства [1–3] и зависимость P - nCT nC T процесса от газодинамики разрядной камеры приводят к где T и nC — температура и концентрация атомов тому, что цельной теоретической модели, позволяющей углерода в дуге [7].

оптимизировать дугу, пока не существует. Между тем Рассчитанная по (1) скорость потока, или струи, возможности дугового способа производства фуллерехорошо соотносится с экспериментальными результанов явно не исчерпаны, и большая часть фуллеренов, тами [9]. Она резко растет по мере увеличения тока произведенных в мире в ближайшие годы, будет получеи соответственно концентрации углерода и составляет на именно таким путем. В пользу этого говорят и работы в оптимальных для производства фуллеренов условиях о положительном влиянии плазмы на различные этапы примерно 20-60 m/s в зависимости от режима дуги.

сборки фуллереновых молекул [4–6].

3. Струя не перпендикулярна оси дуги z, а наклонена В данной работе, являющейся продолжением [7], пок ней под некоторым углом 0 60-70, если считать строена простая модель, позволяющая рассчитать газоось электродов направленной от анода к катоду (рис. 1).

вые потоки в дуговой камере цилиндрической геометВ практике использования струй такая струя называется рии, ось которой совпадает с осью электродов. Такая струей из конического насадка [10] в отличие от веерной геометрия типична для большинства дуговых установок или радиально-щелевой струи, для которой 0 90.

производства фуллеренов. Проведенный расчет позво- 4. Струя турбулентна, т. е. число Рейнольдса Re, расляет оценить распределение газовых потоков в камере считанное с характерным размером разрядного зазора, существенно больше 1.

любой геометрии с заданными конечными размерами и 5. Струя является бинарной, причем в начале ее есть определить влияние этой геометрии на выход фуллепреимущественно одна компонента — углерод, а по ренов. Акцент в расчете делается на случай прокачки мере того, как в струю накачивается буферный газ — газа вдоль электродов, что позволяет не счищать фуллереновую сажу со стенок камеры, а накапливать ее в специальном сборнике [8].

Исходные представления о газодинамической картине в камере, основанные на расчете образования фуллеренов в камере бесконечного размера и в условиях отсутствия прокачки газа через камеру, получены в [7] и могут быть резюмированы следующим образом.

1. В области источника имеется высокая концентрация углерода как в виде атомарного газа, так и ионов, т. е. плазма с весьма высокой степенью ионизации. При этом буферный газ (гелий) в значительной степени выдавлен из области разряда давлением углерода. Рис. 1. Геометрия разрядного зазора.

Влияние геометрии разрядной камеры на эффективность дугового способа... гелий, она превращается в гелиевую струю с малой Качественное рассмотрение примесью углерода. Однако именно в такой ситуации, и формулировка расчетной модели когда струя тяжелого газа бьет в легкий газ при большой (почти на порядок) разности температур между источни- Структура газовых потоков в камере.

ком струи и ее внешней областью, можно использовать Особенностью газовой струи как течения газа являрезультаты, полученные для несжимаемой жидкости, так ется то, что по мере удаления от источника сечение как плотность вещества струи меняется относительно струи растет и она всасывает газ из окружающего слабо [7].

пространства. В условиях рассматриваемой задачи таким Поэтому с достаточной для наших целей точностью пространством является объем камеры.

можно пользоваться результатами теории свободных Начальное представление о характере движения газа турбулентных струй несжимаемой жидкости [11,12] для легко сделать из следующих соображений и оценок.

полуширины струи, продольной (радиальной) скорости При начальной скорости струи (скорости при x = r0) на оси струи um, поперечной скорости Vm притока газа в V0 = 40 m/s и типичных параметрах межэлектродного струю на ее границе (x) и потока газа G, накачиваемого зазора поток газа, всасываемый из камеры в струю и расв струю, как функции расстояния x от источника струи считываемый по (5), составляет примерно G = 130 m3/h в расчете на радиус камеры R = 10 cm. В дальнейших = 2.4 ax, (2) расчетах полагается в соответствии с условиями эксперимента [8], что поток газа на входе и на выходе um = n/ax, (3) из камеры Gg (прокачка) по крайней мере в 3-4 раза меньше этой величины. Это означает, что протекающий Vm = n/x, (4) газовый поток обеспечивает лишь часть характерного G = 4x · 1.2 ar0b0. (5) поперечного масштаба распространения струи (область x < xFl, рис. 2). На остальной части поперечного сечения Параметр a 0.1 в (2)–(5) — феноменологический камеры газ натекает в струю за счет обратного потока параметр турбулентной теории [11] n = 1.2 ar0b0u0, вдоль стенок камеры.

2r0 — диаметр графитовых электродов, 2b0 — межэлекПри разработке общей схемы решения будем растродный зазор. Формулы (2)–(5) относятся к основному сматривать вначале двумерную геометрию, отвечающую участку струи, однако влияние начального участка струи радиально-симметричной картине течения в камере. Тана конечный результат незначительно. Существенно при кое течение обеспечивается вводом и выводом газа из этом, что формула (5) с хорошей точностью справедлива камеры либо вдоль оси электродов, либо через радиальи для начального участка струи.

но-кольцевую щель в стенках камеры (такой вывод газа 6. Фуллерены образуются на расстоянии x1 3-4cm показан жирной линией 1 на рис. 2). В соответствии от оси разряда [13]. Это расстояние по крайней мере с условиями эксперимента считалось, что газ внутри в несколько раз меньше типичных размеров камеры, камеры параллельно направлению от анода к катоду.

используемой в экспериментах [1–3,8]. Поэтому можно Соответственно входной фланец и та часть камеры, считать, что геометрия камеры не влияет на образование первичного количества фуллеренов. В дальшейшем это количество снижается за счет „засветки“ фуллеренов ультрафиолетовым излучением дуги [14], аггломерации фуллеренов, фуллереноподобных кластеров в ассоциаты [9,15] и других эффектов, замкнутых на газодинамику камеры.

Предположение об отсутствии влияния ограниченности радиуса камеры на параметры струи (по крайней мере в пределах зоны образования фуллеренов) следует из экспериментальных результатов по исследованию струй [11].

Таким образом, задачи о получении максимального количества фуллеренов и их выносе из камеры можно разделить. Первый процесс определяется лишь током, давлением газа и размерами электродов, второй — динамикой буферного газа в конкретной камере и движением Рис. 2. Двумерная картина течения газа в камере цилиндрипримеси (фуллеренов) в этом газе.

ческой формы в случае затухания струи до достижения стенок Все результаты, относящиеся к первой задаче, подробкамеры. Вдув газа — через всю площадь анодного фланца, но изложены в [7]. Важная дополнительная информация вывод — через кольцевую щель. Граница турбулентной струи о влиянии плазменной среды на сборку фуллеренов (жирный пунктир) переходит в мелкий пунктир — условное содержится в [4–6]. продолжение выхода струи до точки выхода из камеры.

2 Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 18 Н.И. Алексеев, Г.А. Дюжев которая находится выше по течению газа, называются анодными (левая половина рис. 2), а часть камеры, прилегающая к катоду, — катодной (правая половина).

Термины „анодная“ и „катодная“ будут также использоваться для обозначения частей струи, прилегающих к анодной и катодной половинкам камеры.

Изменения радиальной скорости вдоль оси струи и поперечной скорости на границе струи (и вдоль продолжения этой границы до стенок камеры, если турбулентность струи затухает — пунктир на рис. 2) качественно показаны на рис. 3. Радиальная скорость струи на боковых стенках камеры определяется прокачкой газа, если струя направлена в отверстие (кривая 1), или обращается в нуль (если прокачки газа нет или вывод газа осуществляется, например, вдоль оси катодного фланца) (кривая 1 ). Поперечная к границе струи Рис. 5. Структура турбулентной струи от области зазора (или продолжению этой границы) скорость должна при до кольцевого выхода газа из камеры. Случай турбулентного приближении к стенкам камеры менять знак (кривая 2).

истечения газа из камеры. Границы струи показаны волнистой Это происходит при любом режиме течения газа в линией. P — потенциальное ядро истекающей струи.

области отверстия: турбулентный выход струи из камеры без отражения, отражение турбулентной струи от стенок камеры (или кромки выходного отверстия) или затухаВ случае турбулентного отражения (рис. 4) струя, ние турбулентности еще до достижения струей стенок распространяющаяся вдоль стенок, должна затухать на камеры.

некотором расстоянии от точки отражения. Положение области затухания (точка D на рис. 4) зависит от длины камеры и определяется балансом газа: суммарное количество газа, поглощенное струей, должно быть возвращено в камеру (за вычетом прокачки), причем скорость в области возврата должна соответствовать вязкому режиму течения, т. е. Re < 1. Это условие определяет минимальную длину (точнее, полудлину) камеры L в направлении отражения струи от стенок; в отсутствии прокачки L n >, (6) R - (/) · где и — динамическая вязкость и плотность газа.

Рис. 3. Кривые изменения радиальной скорости вдоль оси При рабочем давлении в камере 300 Torr и темпераструи и поперечной скорости на границе струи.

туре 1000 K условие (6) выполняется лишь в случае очень длинной камеры L 5R. Учет прокачки вносит в (6) лишь небольшие изменения, и реально это условие не выполняется. Поэтому существует две возможности:

A) турбулентность струи затухает до того, как струя достигает стенок камеры; накачка газа в струю сменяется при этом выносом газа из струи вдоль стенок (рис. 2);

B) истечение газа из камеры турбулентное, причем качественная картина турбулентных зон в области отверстия должна быть такой же, как и в случае „внутреннего“ истечения струи из кольцевого источника радиуса R и ширины h с точностью до обращения направления скорости (рис. 5).

В случае A радиус затухания турбулентности xT, определенный из тех же соображений, что и для турбулентного отражения, легко оценить на уровне Рис. 4. Турбулентное отражение струи от стенок камеры (радиально-симметричный случай). 1 — граница проточной -Gg области камеры, волнистая линия — границы струи, 2 —ось xT = + · n + (7) струи.

2R Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. Влияние геометрии разрядной камеры на эффективность дугового способа... при одновременном условии вязкого истечения струи течения (турбулентное и вязкое) и ограниченностью через выходное отверстие камеры размеров камеры. Кроме того, начальный угол вылета струи 0 по отношению к оси камеры может, вообще Gg R говоря, зависеть от положения кольцевой щели вывода < 1. (8) 2Rh струи.

При этом формально полноценное решение (полученСкорость движения газа вдоль стенок, определяющая ное из единой для всех областей системы уравнений обратный поток газа в камеру, полагается в (7), как и и граничных условий на входе, выходе из камеры и в (6), равной /, что отвечает условию Re = 1.

на стенках) не только сложно, но и не дает гарантии Условия (7) и (8) выполняются лишь для очень малой достоверности. Это связано с тем, что усредненные турпрокачки и задают струю весьма малой длины булентные уравнения содержат множество временных корреляционных функций, значение каждой из которых -xT h в конкретной геометрии камеры может быть различным.

+ 1 · n +, (9) R R Поэтому в данной работе использовались имеющиеся аналитические решения свободной турбулентной струи лишь незначительно превышающей размер потенциальв приближении пограничного слоя [11,12]. На естественного ядра струи. Поэтому должен реализоваться слуных границах струи эти решения сшивались с вязкими чай B (рис. 5). Поток газа от разрядного зазора до выходрешениями в остальной части камеры.

ной щели камеры представляет собой, таким образом, Положение щели осевого вывода газа из камеры счисочетание двух турбулентных струй, переходящих одна талось таким, что естественная ось струи (т. е. ось струи в другую. Для краткости будем далее называть участок струи от зазора до точки xT струей зазора, от точки xT в отсутствии прокачки) направлена на щель. При этом, основываясь на экспериментальных данных о типичной до выходной щели — выходной струей. Обозначение ширине щели, мы считали для удобства, что граница, точки xT на рис. 5 имеет при этом тот же смысл, что отделяющая струюот анодной (левой на рис. 2, 5) части и на рис. 2, —точка смены знака поперечной скорости камеры, образует прямой угол с осью камеры.

на границе струи.

Течение газа вне области струи и ее продолжения Для выходной струи зависимости параметров um, Vm, до стенок камеры рассматривалось как вязкое. Тогда G, от расстояния до стенок камеры (R-x) известв двумерной задаче система уравнений непрерывности ны из теории плоских турбулентных струй, схожи с Навье-Стокса сводится к уравнению четвертого порядсоотношениями (2)–(5) для струи зазора и выписаны ка на функцию тока, задаваемую условиями в Приложении 1. Баланс газа в струе приводит тогда к следующему уравнению для определения точки xT, Vy V =(1/x)( /x), в которой поперечная к струе скорость меняет знак (Приложение 2):

Vx u = -(1/x)( /z ), (11) xFl a и имеет вид уравнения переноса ротора x2 + xT xFl 0.36 - T b(V ) rot V - (rot V)V = rot V, (12) xFl 2 aR 1 xFl = 0.36 -. (10) R b1 4 R где = / — кинематическая вязкость газа.

Pages:     || 2 | 3 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.