WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

В отсутствии закрутки газа и областей вязкого заПри выводе (10) существенно, что значения xT для тухания струи достаточная точность рассмотрения доанодной (проточной) и катодной (заглушенной) частей стигается, как известно, и при использовании простого камеры различны. Так как трудно представить себе потенциального приближения [10] структуру струи, в которой симметричные относительно оси струи области работают одна на ввод газа в струю, = 0. (13) а другая на вынос газа наружу, полагалось, что xT определяется полусуммой значений, рассчитанных для На стенках камеры функцию тока можно полагать „катодной“ и „анодной“ половинок струи. равной нулю, на входе камеры задается условиями Очевидно, что все проведенное выше рассмотрение ввода газа. При равномерном по входному фланцу вводе справедливо лишь при xFl < xT, когда структура потоков газа зависимость (x) на входе в камеру определяется газа в части струи, прилегающей к анодной половине лишь прокачкой Gg. Функцию тока на границах турбукамеры, идентична структуре катодной части (есть об- лентной струи с катодной и анодной областями камеры ласть обратного тока вдоль стенок камеры). Естественно нетрудно рассчитать с помощью первого из условий (11) предположить, что ситуация сильной прокачки, когда по формулам (4) и (23) (Приложение 1) вне некоторой xFl xT физически соответствует срыву дуги. окрестности точки xT (рис. 5), а в окрестности точРасчет газовых потоков во всем объеме камеры ки xT — с помощью простой линейной сшивки (4) и (23) осложняется сочетанием областей с разным характером и интегрированием затем по координате x.

2 Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 20 Н.И. Алексеев, Г.А. Дюжев В условиях цилиндрической формы камеры соответ- характерного времени „засветки“ фуллеренов расствующее решение нетрудно построить аналитически смотрен в Приложении 3.

разложением в ряд Фурье-Бесселя. Расчет анодной Процент очевидным образом получается в ходе области камеры при этом вообще является тривиальной решения задачи (15), описывающей фуллерены в составе задачей, так как границы области имеют простейшую сажевых частиц, и задачи, аналогичной (15) для описацилиндрическую форму (рис. 5). Несколько сложнее ния сажевых частиц, не содержащих фуллеренов (в этом обстоит дело с катодной областью, так как ее граница случае правая часть (15) равна нулю).

со струей образует с поперечным сечением камеры угол, примерно равный 2 · 2.4a /6 (таков рассчитанный Результаты расчета двумерного течения теоретически и подтвержденный экспериментом угол газа и выхода фуллеренов из камеры раскрыва веерной струи зазора [11,12], формула (2)).

Для выходной струи угол выхода из камеры (угол 2 на Для дальнейшего сопоставления расчета с испытаниярис. 5) связан с углом раскрыва другого струйного течеми реальной трехмерной камеры (где газ выводился ния — плоской струи [11,12]. Однако он, в нашем случае через круглое отверстие радиусом Rout 2.5cm в боугол 2, определен не вполне четко — точка перехода ковой стенке камеры [8]) ширина выходного кольцевого от струи зазора к струе выхода может соответствовать отверстия 2b1 полагалась равной 2b1 = 0.5cm исходя из начальному участку струи выхода. Поэтому граничные условия равенства площадей 2b1 · 2R = R2.

out условия переносились для простоты в осевую плоскость В качестве параметра, определяющего относительный симметрии (ось x на рис. 5) и выбирались так, чтобы выход фуллеренов, на рис. 6 принята величина прокачки производная потенциала d/dl вдоль фактической грагаза Gg. Видно, что увеличение прокачки ведет к роницы, рассчитанная из решения, совпадала с истинной сту. Правые концы кривых, показанных на рис. 6, соотпроизводной по крайней мере в начале струи зазора, на ветствуют значениям Gg, при которых xFl xT. Таким выходе из камеры и в точке xT.

образом, для камеры данного размера оптимальным с Вывод фуллеренов из разрядной камеры.

точки зрения выхода фуллеренов является максимальная Наиболее естественными показателями эффективности прокачка, при которой дуга еще не срывается.

производства фуллеренов в дуговой установке с прокачЗависимость процента фуллеренов (Gg) при заданкой газа являются процент фуллеренов в сажевом ном радиусе камеры очень слабая в полном соответпотоке, выносимом из камеры, и относительный выход ствии с экспериментом.

фуллеренов, который можно определить как отноПри заданной Gg почти не зависит от размеров шение потока фуллеренов из камеры F к количеству камеры (рис. 7). Левый конец кривой 3 на рис. рождающихся фуллеренов F0 (рис. 2), соответствует xFl xT. При пропорциональном росте размеров камеры растет вместе с Gg (рис. 8).

F F0 - F1 + F - F2 + F =. (14) Качественно понять приведенные результаты расчета F0 Fможно следующим образом. Наряду с определением из решения задачи диффузии, включающей локальное Потоки фуллеренов F1, F2, выходящие из струи вдоль время „засветки“ фуллеренов, можно находить из стенок камеры в анодную и катодную части камеры, и потоки F1, F2, возвращающиеся в струю из камеры (рис. 2), должны находиться из задачи о диффузии тяжелой примеси (фуллеренов) в потоке газа и гибели фуллеренов в условиях ультрафиолетовой „засветки“ фуллеренов и их высаживания на стенки камеры. Очевидно, что такая задача может быть поставлена лишь в очень упрощенном виде. Это связано с тем, что в холодной области камеры вблизи стенок фуллерены аггрегируют в кластеры с совершенно другими кинетическими свойствами, а систематические результаты по разрушению фуллеренов ультрафиолетом практически отсутствуют.

В данной работе в задачу диффузии примеси (фуллеренов) в известном поле скоростей газа Div nCV(x, y) - DnC = -nC/ (15) закладывался коэффициент диффузии сажевых кластеРис. 6. Зависимость относительного выхода фуллеренов от ров с характерным размером rs = 3 · 10-3 cm [15].

прокачки газа Gg. Радиус камеры, cm: 1 — 10, 2 — 15, 3 — 20, Способ задания граничных условий к задаче (15) и 4 — 25.

Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. Влияние геометрии разрядной камеры на эффективность дугового способа... отраженных внутрь анодной и катодной частей камеры;

Gg g G1 + Gg — доля проходящего потока газа в формировании анодной части струи; отношения F1/F F2/F 1 =, 2 = G1/G G2/G характеризуют поведение фуллереновой примеси в потоке газа вблизи стенок камеры в момент разделения этого потока G = G1 + Gg на обратный поток вдоль стенок и поток, выходящий из камеры.

Соотношение (16) следует из баланса газа, баланса фуллеренов, и определения параметров 1, 2, g. ВотсутРис. 7. Зависимость относительного выхода фуллеренов от ствии катодной части камеры и в предположении = радиуса камеры при разных уровнях прокачки Gg (m3/h):

оно приобретает совсем простой вид 1 —20, 2 — 40, 3 — 60, 4 — 80.

g = 1 - P · (1 - g) — сумма бесконечной геометрической прогрессии, каждый член которой есть вероятность выживания фуллеренов в результате еще одного их прокручивания в вязком замкнутом течении газа.

В геометрии настоящей работы, т. е. случае камеры с „заглушенной“ катодной частью, и в предположении 1 = 2 = 1 из (16) следует, что -G = g 1 - P1(1 - g) + (1 - P2)(1 - g). (17) GЕсли струя бьет из зазора под прямым углом, естественно считать, что G1 + Gg G2, и (17) еще более упрощается -Рис. 8. Зависимость относительного выхода фуллеренов от = g 2 - P2 - P1 · (1 - g), (18) радиуса камеры при постоянном отношении Gg (m3/R), cm:

1 —3, 2 —4, 3 —5.

где g xFl/xT, а xT определяется из (10).

Вероятности P1, P2 можно оценить по времени „засветки“ и быстроте осаждения фуллеренов (и сажевых частиц) на стенки камеры приближенного соотношения P =1- (L/ V ) · (1- L/ V ) - (L/diffV ) · (1- L/diffV ), 1 1 G2 2 G = + - 1 где diff — характерное время диффузии частиц поперек 1 1 - g G1 1 Gлиний тока газа, (q) =1 при q > 0 и (q) =0 при q < 0.

1 1 G2 2 G2 - + - P1 - P2, (16) Основываясь лишь на (17), (18), нетрудно „увидеть“ 1 1 - g G1 1 Gкачественно все полученные выше результаты. Из (10) следует, что для камеры заданного размера зависигде P1 = F1 /F1, P2 = F2/F2 — интегральные вероятномость g(Gg) при большой прокачке близка к корневой.

сти выживания фуллеренов в результате однократного Однако одновременно с ростом Gg уменьшаются размер их „прокручивания“ в областях замкнутого течения газа зоны замкнутого течения газа в анодной части камеры и в анодной и катодной частях камеры соответственно;

„засветка“ фуллеренов, поэтому вероятность P1 выжидругие параметры в (16) определены следующим об- вания фуллеренов в (18) нарастает и зависимость (Gg) разом (рис. 2): G1/G2 — отношение газовых потоков, на рис. 6 более сильная, чем корневая.

Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 22 Н.И. Алексеев, Г.А. Дюжев Еще до проведения расчетов можно сказать, что в случае закрученного и незакрученного потоков газа должна наблюдаться сходная картина пространственных областей с точки зрения поведения линий тока газа.

В обоих случаях есть области проходящих линий тока и области замкнутого движения газа (рис. 2, 5). Однако веерная турбулентная струя очевидным образом превращается теперь в закрученную веерную струю. Закрутка струи осуществляется двояко: за счет тангенциального вывода потока газа из камеры (и связанного с ним турбулентным переносом ротора вверх по струе) и за счет вязкого переноса ротора от входного сечения камеры через проточную часть камеры. Очевидно, первое воздействие проявляется гораздо сильнее. Если считать для определенности, что выход потока газа осуществляется через систему патрубков с размерами h, l R (рис. 10), Рис. 9. Максимальный уровень выхода фуллеренов, возможто момент количества движения, сохраняющийся вверх ный при данном радиусе камеры (1), и необходимая для этого по струе [10], составляет примерно прокачка (2).

G2R g M = (19) h 2lR При постоянной прокачке (рис. 7) увеличение размера камеры приводит к отдалению области „засветки“ фул- и растет квадратично с увеличением прокачки.

леренов от области дуги, но этот эффект компенсиру- Конкретное воздействие центробежного механизма ется увеличением размеров области замкнутого течения может проявляться в виде следующих двух эффектов:

газа и количества втягиваемых туда фуллеренов. Чтобы 1) центробежное смещение границы проточной и обповысить выход фуллеренов, необходимо увеличивать ластей замкнутого течения газа к стенкам камеры, за прокачку.

счет этого относительный размер области замкнутого На рис. 9 построена зависимость максимального вы- движения и связанный с ним захват образовавшихся хода фуллеренов, возможного в камере данного раз- фуллеренов обратно в камеру могли бы уменьшиться;

мера (т. е. выхода фуллеренов при прокачке на пороге 2) дополнительный вынос фуллеренов из камеры в высрыва дуги) от радиуса камеры R. Видно, что в каме- ходную щель при развороте части потока газа вдоль ре с R = 30 cm можно получить на выходе примерно стенок.

на 20-30% больше фуллеренов, чем при R = 10 cm, но Первый эффект может быть оценен из поперечного для этого необходимо увеличить прокачку в 4(!) раза.

уравнения движения газа в струе в цилиндрической Очевидно, что изготовление газодувки соответствующей системе координат, адекватной веерной струе [10], мощности, не говоря уже о сложности изготовления большой камеры, ведет к неоправданному удорожанию w w uw P 2V u + V + = - + (20) установки.

x z x z z Технически оптимальным вариантом представляется (в турбулентном случае сдвиговая вязкость меняется поэтому камера небольшого радиуса, работающая при на турбулентную вязкость T, определенную тем или прокачке газа, близкой к пороговой.

Возможные факторы увеличения выхода фуллеренов в рамках двумерной геометрии задачи В силу того что двумерная постановка задачи является простейшей, представляет интерес количественный расчет иных геометрий, в которых могли бы проявиться возможные факторы увеличения выхода фуллеренов, в первую очередь камеры с тангенциальной подачей и выводом газа. В такой камере можно предположить постоянный дополнительный вынос тяжелой компоненты (фуллеренов) по отношению к выводимому из камеры газовому потоку за счет центробежной сепарации ком- Рис. 10. Выход потока газа из камеры через систему патрубпонент. ков с размерами h, l R.

Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. Влияние геометрии разрядной камеры на эффективность дугового способа... иным эмпирическим способом). В приближении погра- прокачки газа Gg. Однако для каждого размера камеры ничного слоя из (20) следует, что P = const. существует величина прокачки, приводящая к срыву дуги.

Таким образом, в отличие от аналогичного уравнения 4. Пороговая прокачка резко растет с ростом радиуса осесимметричной струи камеры, однако доля выносимых фуллеренов растет при -w2/y = -P/y + 2V /y2 (21) этом гораздо медленнее, поэтому технически оптимальным вариантом представляется камера небольшого рав сферической системе координат [11] (координата y диуса, работающая при прокачке, близкой к пороговой.

показана на рис. 1) скорость V в (20) „не чувству5. Переход к камере с симметричной тангенциальной ет“ вращения. Соответственно понижения давления в закруткой газа на входе и выходе из камеры не приводит центре струи не возникает (вернее, оно оказывается к существенному увеличению относительного выхода малой более высокого порядка, чем в осесимметричном фуллеренов. Структура газодинамической картины в случае). Не возникает и относительно медленно спада- камере принципиально не меняется, лишь закручиваясь ющей поправки к поперечной скорости порядка 1/x2. как единое целое.

Что касается поправки порядка 1/x3, то, как показано в Приложении 4, она локализована в центральной части Приложение струи и не ощущается на ее границе. Таким образом, вращение не влияет на поперечную к струе скорость газа Зависимости параметров струи от расстояния на границе струи.

до стенок камеры Второй эффект — центробежная сепарация тяжелой Формулы для внутреннего осесимметричного истекомпоненты в области выноса газа может быть оценен из чения струи из веерного источника известны и даны уравнения диффузии примеси относительно потока газа, в [10]. Однако в силу условия h R и того, что сама записанного в виде D nC = Div (nCV) (уравнение (15) рассматриваемая область не превышает (как показал без правой части).

дальнейший расчет) половины радиуса камеры, можВ отсутствии зависимости от угла вид этого уравнено использовать известные результаты для основного ния в закрученном и незакрученном случаях идентичен, участка плоской струи с начальной скоростью V и так как угловая скорость выпадает. Следовательно, пеначальной шириной 2b1 = h [11,12] ренос тяжелой компоненты в струе также не чувствует закрутки газа.

um = V · 1.2 b1/ay, (22) Таким образом, тангенциальная закрутка газа не дает преимуществ с точки зрения производства фуллеренов. Vm = V · 0.6a b1/ay, (23) Другое возможное изменение геометрии камеры, свягде y — расстояние до источника струи.

Pages:     | 1 || 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.