Preview

Ученые записки Казанского университета. Серия Физико-математические науки

Расширенный поиск

Влияние формы внутреннего канала анодного узла на скорость плазменного потока

https://doi.org/10.26907/2541-7746.2024.1.58-73

Аннотация

   Охарактеризовано влияние формы внутреннего канала анодного узла плазмотрона на скорость плазменного потока. Рассмотрены три варианта формы анодного узла с конфузорной частью в виде конической поверхности длиной 50 мм: первый – с переходом диаметров с 12 до 6 мм; второй – с переходом диаметров с 12 до 8 мм; третий – с переходом диаметров с 12 до 10 мм. Выполнен компьютерный эксперимент с последующей верификацией путем проведения натурного эксперимента на лабораторной плазменной установке. Верификация показала удовлетворительную сходимость и согласуется с данными, представленными в литературе. Компьютерный эксперимент проведен с помощью метода конечных элементов. Выполнен литературный обзор конструкций плазменных установок, применяемых для получения порошков, нанесения функциональных покрытий и модификации поверхностей, а также программных пакетов, используемых для реализации метода конечных элементов при решении подобных задач. Разработаны рекомендации, имеющие практическое значение для потребителей и разработчиков плазмотронного оборудования. Определены формы анодного узла, позволяющие достигать сверхзвукового и дозвукового режимов течения плазменного потока.

Об авторах

Р. А. Окулов
Институт металлургии Уральского отделения РАН; Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина
Россия

Роман Александрович Окулов, старший научный сотрудник, доцент

лаборатория порошковых и композиционных материалов

620016; ул. Амундсена, д. 101; 620002; ул. Мира, д. 19; Екатеринбург



В. А. Крашанинин
Институт металлургии Уральского отделения РАН
Россия

Владимир Александрович Крашанинин, заведующий лабораторией

лаборатория порошковых и композиционных материалов

620016; ул. Амундсена, д. 101; Екатеринбург



Б. Р. Гельчинский
Институт металлургии Уральского отделения РАН
Россия

Борис Рафаилович Гельчинский, руководитель отдела

отдел материаловедения

620016; ул. Амундсена, д. 101; Екатеринбург



А. А. Ремпель
Институт металлургии Уральского отделения РАН
Россия

Андрей Андреевич Ремпель, директор

620016; ул. Амундсена, д. 101; Екатеринбург



Список литературы

1. Fu P., Wang N., Liao H., Xu W., Peng L., Chen J., Hu G., Ding W. Microstructure and mechanical properties of high strength Mg-15Gd-1Zn-0.4Zr alloy additive-manufactured by selective laser melting process // Trans. Nonferrous Met. Soc. China. 2021. V. 31, No 7. P. 1969–1978. doi: 10.1016/S1003-6326(21)65630-3.

2. Yurtkuran E., ¨Unal R. Theoretical and experimental investigation of Tialloy powder production using low-power plasma torches // Trans. Nonferrous Met. Soc. China. 2022. V. 32, No 1. P. 175–191. doi: 10.1016/S1003-6326(21)65786-2.

3. Bao Q., Yang Y., Wen X., Guo L., Guo Z. The preparation of spherical metal powders using the high-temperature remelting spheroidization technology // Mater. Des. 2021. V. 199. Art. 109283. doi: 10.1016/j.matdes.2020.109382.

4. Amarnath P., Nandy N., Indumathy B., Yugeswaran S. Study on CO<sub>2</sub> based thermal plasma torch and its effective utilization for material processing in atmospheric pressure // J. CO<sub>2</sub> Util. 2022. V. 66. Art. 102290. doi: 10.1016/j.jcou.2022.102290.

5. Kornienko E., Gulyaev I., Smirnov A., Nikulina A., Ruktuev A., Kuzmin V., Tuezov A. Microstructure and properties of Ni-Al coatings obtained by conventional and high-velocity atmospheric plasma spraying // Results Surf. Interfaces. 2022. V. 6. Art. 100038. doi: 10.1016/j.rsurfi.2022.100038.

6. Tang L., Kang J., He P., Ding S., Chen S., Liu M., Xiong Y., Ma G., Wang H. Effects of spraying conditions on the microstructure and properties of NiCrBSi coatings prepared by internal rotating plasma spraying // Surf. Coat. Technol. 2019. V. 374. P. 625–633. doi: 10.1016/j.surfcoat.2019.06.056.

7. Li W., Cao C., Yin S. Solid-state cold spraying of Ti and its alloys: A literature review // Prog. Mater. Sci. 2020. V. 110. Art. 100633. doi: 10.1016/j.pmatsci.2019.100633.

8. Miao Y., Zhu H., Gao P., Li L. The effects of spraying power on microstructure, magnetic and dielectric properties of plasma sprayed cobalt ferrite coatings // J. Mater. Res. Technol. 2020. V. 9, No 6. P. 14237–14243. doi: 10.1016/j.jmrt.2020.10.006.

9. Moro´nczyk B., Ura-Bi´nczyk E., Kuroda S., Jaroszewicz J., Molak R.M. Microstructure and corrosion resistance of warm sprayed titanium coatings with polymer sealing for corrosion protection of AZ91E magnesium alloy // Surf. Coat. Technol. 2019. V. 363. P. 142–151. doi: 10.1016/j.surfcoat.2019.02.023.

10. Malyshev V.N. Oil and gas steels surface hardening investigation by anodic plasma electrolytic treatment // Chem. Eng. Process. – Process Intensif. 2022. V. 179. Art. 109055. doi: 10.1016/j.cep.2022.109055.

11. Guo D., Yu D., Zhang P., Duan Y., Zhang B., Zhong Y., Qiu J. Laminar plasma jet surface hardening of the U75V rail steel: Insight into the hardening mechanism and control scheme // Surf. Coat. Technol. 2020. V. 394. Art. 125857. doi: 10.1016/j.surfcoat.2020.125857.

12. Guo D., Yu D., Zhang P., Song W., Zhang B., Peng K. Laminar plasma jet surface hardening of P20 mold steel: Analysis on the wear and corrosion behaviors // Surf. Coat. Technol. 2021. V. 415. Art. 127129. doi: 10.1016/j.surfcoat.2021.127129.

13. Sun J., Li J., Xie J.M., Yang Y., Wu W.P., Zhou X., Zhang S.H., Wang Q.M. Properties of rapid arc discharge plasma nitriding of AISI 420 martensitic stainless: Effect of nitriding temperatures // J. Mater. Res. Technol. 2022. V. 19. P. 4804–4814. doi: 10.1016/j.jmrt.2022.07.028.

14. Liu S.-H., Trelles J.P., Li C.-J., Li C.-X., Guo H.-B. A review and progress of multiphase flows in atmospheric and low pressure plasma spray advanced coating // Mater. Today Phys. 2022. V. 27. Art. 100832. doi: 10.1016/j.mtphys.2022.100832.

15. Okulov R.A., Popov E.V., Gelchinsky B.R., Rempel A.A. Development of the computer model of the plasma installation // J. Phys.: Conf. Ser. 2021. V. 2064, No 1. Art. 012044. doi: 10.1088/1742-6596/2064/1/012044.

16. Zou K., Zou J.-P., Deng C.-M., Liu M., Liu X.-Z., Zhao R.-M., Li S.-H., Zhu R.-B., Gao D. Preparation and properties of supersonic atmospheric plasma sprayed TiB2-SiC coating // Trans. Nonferrous Met. Soc. China. 2021. V. 31, No 1. P. 243–254. doi: 10.1016/S1003-6326(20)65491-7.

17. Shuai K., Zhang Y., Fu Y., Guo X., Li T., Li J. MoSi2-HfC/TaC-HfC multi-phase coatings synthesized by supersonic atmospheric plasma spraying for C/C composites against ablation // Corros. Sci. 2021. V. 193. Art. 109884. doi: 10.1016/j.corsci.2021.109884.

18. Wang Z., Huang Y., Guo W., Shan D., Xing Z., Wang H., He G. Effects of pulsed magnetic field on the flight and impact of supersonic plasma spraying particles and the properties of coatings // Mater. Des. 2022. V. 223. Art. 111127. doi: 10.1016/j.matdes.2022.111127.

19. Okulov R., Ilinykh S., Zakharov M., Akhmethin S. Mathematical model of the process of the plasma atomizing of the rod electrode to produce of titanium powder // Proc. 2020 Int. Conf. on Information Technology and Nanotechnology (ITNT). IEEE, 2020. P. 1–4. doi: 10.1109/ITNT49337.2020.9253292.

20. Ishimoto J., Abe H., Ochiai N. Computational prediction of cryogenic micro-nano solid nitrogen particle production using laval nozzle for physical photo resist removal-cleaning technology // Phys. Procedia. 2015. V. 67. P. 607–612. doi: 10.1016/j.phpro.2015.06.103.

21. Patel M., Thomas J., Hem J.C. Experimental investigation of rarefied flows through supersonic nozzles // Vacuum. 2023. V. 211. Art. 111909. doi: 10.1016/j.vacuum.2023.111909.

22. Li J., Zhang X., Shen J., Ran T., Chen P., Yin Y. Dissociation of CO<sub>2</sub> by thermal plasma with contracting nozzle quenching // J. CO<sub>2</sub> Util. 2017. V. 21. P. 72–76. doi: 10.1016/j.jcou.2017.04.003.

23. Lazarev A.V., Semenov T.A., Belega E.D., Gordienko V.M. Dynamics of expanding gas from supercritical state in conical nozzle and cluster formation // J. Supercrit. Fluids. 2022. V. 187. Art. 105631. doi: 10.1016/j.supflu.2022.105631.

24. Korenchenko A.E., Vorontsov A.G., Okulov R.A., Gel’chinskii B.R. Simulation of the self-assembly of metal nanoclusters // Russ. Metall. (Metally). 2022. V. 2022, No 8. P. 927–932. doi: 10.1134/S0036029522080067.

25. AlShunaifi I.A., Elaissi S., Ghiloufi I., Alterary S.S., Alharbi A.A. Modelling of a non-transferred plasma torch used for nano-silica powders production // Appl. Sci. 2021. V. 11, No 21. Art. 9842. doi: 10.3390/app11219842.

26. Yin Z., Yu D., Zhang Q., Yang S., Yang T. Experimental and numerical analysis of a reverse-polarity plasma torch for plasma atomization // Plasma Chem. Plasma Process. 2021. V. 41, No 5. P. 1471–1495. doi: 10.1007/s11090-021-10181-8.

27. Cui Y., Zhao Y., Numata H., Yamanaka K., Bian H., Aoyagi K., Chiba A. Effects of process parameters and cooling gas on powder formation during the plasma rotating electrode process // Powder Technol. 2021. V. 393. P. 301–311. doi: 10.1016/j.powtec.2021.07.062.

28. Gelchinski B.R., Balyakin I.A., Yuryev A.A., Rempel A.A. High-entropy alloys: Properties and prospects of application as protective coatings // Russ. Chem. Rev. 2022. V. 91, No 6. Art. RCR5023. doi: 10.1070/RCR5023.

29. Li Q., Zhang N., Gao Y., Qing Y., Zhu Y., Yang K., Zhu J., Wang H., Ma Z., Gao L., Liu Y., He J. Effect of the core-shell structure powders on the microstructure and thermal conduction property of YSZ/Cu composite coatings // Surf. Coat. Technol. 2021. V. 424. Art. 127658. doi: 10.1016/j.surfcoat.2021.127658.

30. Dong X.-Y., Luo X.-T., Zhang S.-L., Li C.-J. A novel strategy for depositing dense self-fluxing alloy coatings with sufficiently bonded splats by one-step atmospheric plasma spraying // J. Therm. Spray Technol. 2020. V. 29, No 1. P. 173–184. doi: 10.1007/s11666-019-00943-4.

31. Golewski P., Sadowski T. Technological and strength aspects of layers made of different powders laminated on a polymer matrix composite substrate // Molecules. 2022. V. 27, No 4. Art. 1168. doi: 10.3390/molecules27041168.

32. Schramm A., Jafarpour S.M., Schimpf C., Biermann H., Dalke A. Effect of bias plasma on active screen nitrocarburising response of AISI 420 martensitic stainless steel // Vacuum. 2022. V. 205. Art. 111389. doi: 10.1016/j.vacuum.2022.111389.

33. Quinones D., Braun K., Meixner A., Chass´e T. Comparing chemical and plasma modification of stainless steel surfaces – relevance for adsorption of adhesion promotor vinyltrimethoxysilane (VTMS) // Appl. Surf. Sci. 2022. V. 575. Art. 151674. doi: 10.1016/j.apsusc.2021.151674.

34. Deng T., Li J., Zheng Z., Tian W., Li G. Influence of plasma beam polishing process parameters on surface roughness of AISI 304 stainless steel // Appl. Surf. Sci. 2022. V. 585. Art. 152741. doi: 10.1016/j.apsusc.2022.152741.

35. Okulov R.A., Krashaninin V.A., Popov E.V. Plasma jet stream simulation for formation coating and powder manufacturing processes // J. Phys.: Conf. Ser. 2021. V. 1954, No 1. Art. 012033. doi: 10.1088/1742-6596/1954/1/012033.

36. Okulov R.A., Sarsadskikh K.I., Ilinykh S.A., Zakharov M.N. Effect of the plasma-forming gas consumption on processes of plasma spray coating and metal powder production // J. Phys.: Conf. Ser. 2019. V. 1281, No 1. Art. 012058. doi: 10.1088/1742-6596/1281/1/012058.

37. Карташева М.А. Математическое моделирование нестационарных газодинамических процессов в областях отрыва потока за элементами летательных аппаратов : Дис. ... канд. техн. наук: 05.13.18. Челябинск: Юж.-Урал. гос. ун-т. 2008. 168 с.

38. Лойцянский Л. Г. Механика жидкости и газа. М.: Дрофа, 2003. 840 с.

39. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М.: Наука, 1969. 824 с.

40. Mungiguerra S., Di Martino G.D., Savino R., Zoli L., Silvestroni L., Sciti D. Characterization of novel ceramic composites for rocket nozzles in high-temperature harsh environments // Int. J. Heat Mass Transfer. 2020. V. 163. Art. 120492. doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.120492.

41. Okulov R.A., Krashaninin V.A., Popov E.V. Influence of the plasmatron anode length in the processes of powder production and coating // AIP Conf. Proc. 2022. V. 2456, No 1. Art. 020035. doi: 10.1063/5.0074612.


Рецензия

Для цитирования:


Окулов Р.А., Крашанинин В.А., Гельчинский Б.Р., Ремпель А.А. Влияние формы внутреннего канала анодного узла на скорость плазменного потока. Ученые записки Казанского университета. Серия Физико-математические науки. 2024;166(1):58-73. https://doi.org/10.26907/2541-7746.2024.1.58-73

For citation:


Okulov R.A., Krashaninin V.A., Gelchinsky B.R., Rempel A.A. Influence of the shape of the anode assembly inner channel on plasma flow velocity. Uchenye Zapiski Kazanskogo Universiteta. Seriya Fiziko-Matematicheskie Nauki. 2024;166(1):58-73. (In Russ.) https://doi.org/10.26907/2541-7746.2024.1.58-73

Просмотров: 192


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2541-7746 (Print)
ISSN 2500-2198 (Online)