Статья

Наименование	Моделирование электрической дуги на базе уравнений магнитной гидродинамики
Авторы	Кухарев А. Л., д. т. н., доц.
Раздел	Металлургия и материаловедение
Год	2023	Выпуск	73	Страницы	37 - 46
УДК	621.365.2			EDN	HTJGEY
Аннотация	Для свободногорящей аргоновой дуги атмосферного давления при токах I ~ 102 А проанализирована структура и пределы применимости магнитогидродинамической модели с использованием основных критериев подобия. Результаты численной реализации модели в пакете Star CCM+ сопоставлены с имеющимися экспериментальными данными. Обобщены закономерности распределения электромагнитных, газодинамических и тепловых параметров столба электрической дуги.
Реферат	Цель. Анализ и обоснование структуры модели свободногорящей сильноточной дуги на базе уравнений магнитной гидродинамики, ее верификация путем численного исследования распределенных характеристик плазмы столба и сопоставления с экспериментальными данными. Методика. Использована модель магнитной гидродинамики для моделирования свободногорящей дуги, реализованная в пакете Star CCM+. Модель включает уравнения непрерывности потока, движения, энергии, а также уравнения электромагнитного поля, выраженные с использованием скалярного электрического и векторного магнитного потенциалов. Модель использовалась совместно с граничными условиями первого и второго рода для осесимметричной постановки. При моделировании учтены существенно нелинейные термодинамические характеристики аргоновой плазмы. Результаты. Получены графики распределения электромагнитных, газодинамических и тепловых параметров столба свободногорящей дуги атмосферного давления длиной 1 см при силе тока 200 А, горящей в аргоне между вольфрамовым катодом и медным водоохлаждаемым анодом. В результате сопоставления графиков распределения температуры и теплового потока отмечено удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных данных, что свидетельствует об адекватности используемой модели. Научная новизна. С использованием анализа значений основных критериев подобия (гидродинамическое число Рейнольдса, магнитное число Рейнольдса, число Ричардсона, число Бринкмана) обоснована структура магнитогидродинамической модели свободногорящей аргоновой дуги атмосферного давления при токах I ~ 102 А. Обобщены закономерности распределения электромагнитных, газодинамических и тепловых параметров столба электрической дуги. Практическая значимость. Показана возможность применения пакета Star CCM+ для моделирования электрических дуг, что позволяет прогнозировать эффективные условия преобразования энергии в электрометаллургических и других технологических установках, использующих дуговой нагрев.
Ключевые слова	электрическая дуга, низкотемпературная плазма, магнитная гидродинамика, тепловой поток.
Финансирование
Список источников	1. Возможности применения плазменных технологий для переработки органосодержащих веществ. Особенности сильноточных свободногорящих дуг [Текст] / А. Ф. Рутберг, О. Б. Васильева, И. И. Кумкова, А. А. Сафронов // Теплофизика высоких температур. — 2013. — № 2. — С. 191–197. 2. Bowman, B. Arc furnace physics [Text] / B. Bowman, K. Kruger. — Dusseldorf: Stahleisen communications, 2009. — 245 p. 3. Крикент, И. В. Моделирование процессов тепло-, массо- и электропереноса в столбе и анодной области дуги с тугоплавким катодом [Текст] / И. В. Крикент, И. В. Кривцун, В. Ф. Демченко // Автоматическая сварка. — 2012. — № 3. — С. 7–11. 4. Куберский, С. В. Анализ параметров метода дугового глубинного восстановления при одновременной обработке расплава двумя рудно-восстановительными блоками [Текст] / С. В. Куберский // Сборник научных трудов ДонГТУ. — 2017. — № 7 (50). — С. 79–85. 5. Низкотемпературная плазма. Т. 1. Теория столба электрической дуги [Текст] / М. Ф. Жуков, В. С. Энгельшт, В. Ц. Гурович и др. — Новосибирск: Наука: Сиб. отд-ние, 1990. — 373 с. 6. Расчет параметров электрической дуги в электропечных установках для производства стали и ферросплавов [Текст] / А. Л. Кухарев, К. А. Корсунов и др. // Сборник научных трудов ДонГТУ. — 2017. — № 5 (48). — С. 52–57. 7. Hsu, K. C. Study of the free-burning high-intensity argon arc [Text] / K. C. Hsu, K. Etemadi, E. Pfender // Journal of Applied Physics. — 1983. — Vol. 54, № 3. — P. 1293–1301. 8. Митрофанов, Н. К. Две формы привязки атмосферной дуги постоянного тока в аргоне к термоэмиссионному катоду [Текст] / Н. К. Митрофанов, С. М. Школьник // Журнал технической физики. — 2007. — Т. 77, Вып. 6. — С. 34–44. 9. Boulos, M. Thermal plasmas: fundamentals and applications [Text]. Vol. 1. / M. Boulos, P. Fauchais, E. Pfender. — New York: Plenum press, 1994. — 452 p. 10. Кривцун, И. В. Влияние тока и длины дуги на характеристики дугового разряда при сварке неплавящимся электродом [Текст] / И. В. Кривцун, В. Ф. Демченко, И. В. Крикент, Д. В. Коваленко, И. В. Коваленко // Автоматическая сварка. — 2019. — № 5. — С. 6–17.
Полный текст