Диссертация (Исследование импульсно-периодического излучающего разряда высокого давления в парах цезия), страница 2

Важнейшей задачей светотехники является, кроме того, улучшение качествацветопередачи источников света. В соответствии с этим ведётся непрерывная работа как посовершенствованиюсуществующихисточниковизлучения,такипоразработкепринципиально новых. Одно из направлений исследований опирается на использованиеимпульсно-периодического(пульсирующего)режимапитаниягазоразрядныхламп.6Преимущество такого режима состоит в том, что при одинаковой, по сравнению состационарной дугой, средней мощности, вкладываемой в разряд, в импульсном режимеудаётся создавать плазму с более высокой температурой и плотностью. Это значительноувеличивает световые потоки из плазмы, повышает КПД дуги как источника света иулучшает световые характеристики излучения.Изучение импульсного режима горения дуги связано со значительными трудностями,которыевызванысильнойнеоднородностьюплазмы,большимразнообразиеминестационарным характером протекающих в ней процессов.

Отметим здесь, прежде всего,чтоимпульсно-периодическийразряд(ИПР)характеризуетсясложнойкартинойгазодинамических течений: в начале импульса вся плазма движется в сторону стеноктрубки, а затем, по мере формирования и прохождения тепловой волны, часть газапродолжает прижиматься к стенкам, а часть возвращается к оси разряда. При этом,отдельные компоненты плазмы движутся друг относительно друга (проскальзывают) и ихотносительное содержание меняется по радиусу. Следует заметить, что экспериментальноеисследование газодинамики ИПР весьма затруднительно, а сколь-нибудь подробноетеоретическое рассмотрение картины течений до настоящего времени не проводилось.В энергетическом балансе ИПР существенную роль играет теплообмен излучением влиниях и в непрерывном спектре.

Перенос энергии в линиях сопровождается их сильнойреабсорбцией в плазме. В наиболее интересных для светотехнических целей режимахплазма ИПР в цезии имеет сложную структуру спектра, который нельзя разделить нанепрерывный и линейчатый при расчёте энергетического баланса. При этом оптическаятолщина плазмы разряда в большей части спектра составляет величину порядка единицы.Известные аналитические приближения (например, оптически тонкой и оптически толстойплазмы) в этом случае неприменимы.

Для расчёта теплообмена излучением и расчётаспектра выходящего из разряда излучения необходимо непосредственно использоватьуравнение переноса излучения.Большая разница в массе электронов и атомов (для цезия ma /me = 2,42·105) приводит котрыву температур электронов от температуры тяжёлых частиц.

Это существенноусложняет описание разряда, поскольку требует раздельного описания баланса энергийэлектронов и тяжёлых частиц. При этом для постановки граничного условия длятемпературы электронов на стенках трубки необходимо рассматривать пристеночныйнеравновесный слой.Последовательное описание импульсно-периодического разряда с учётом указанныхособенностей до настоящего времени отсутствовало и создание теории такого разрядаявляется актуальной задачей.7Цели и задачи диссертационной работы.Цель настоящей работы состоит в исследовании импульсно-периодического разряда(ИПР) высокого давления в парах цезия как источника света с рекомбинационныммеханизмом излучения.

В процессе выполнения работы необходимо было решитьследующие основные задачи.1) Построить математическую модель ИПР высокого давления, учитывающуюуказанные выше особенности разряда.2) Обосновать возможность использования модели локального термодинамическогоравновесия (ЛТР) для изучения ИПР и определить границы её применимости.3) Рассмотреть на кинетическом уровне неравновесный пристеночный слой плазмы исформулировать граничное условие для температуры электронов на стенке разряднойтрубки.4) Разработать методику решения уравнения переноса излучения и расчётатеплообмена излучением в условиях ИПР в цезии (метод прямого интегрирования) дляслучая произвольной оптической плотности плазмы.5) Разработать методику решения уравнений переноса массы, импульса и энергиисовместно с уравнением переноса излучения и выполнить моделирование ИПР в различныхрежимах горения.6) Рассмотреть механизмы формирования спектра излучения ИПР и выполнить расчётымгновенных и средних за период спектров.7) Изучить особенности теплообмена в плазме ИПР и влияние радиационноготеплообмена на газодинамику плазмы в широком диапазоне параметров разряда.8) Рассмотреть вопрос об эффективности спектрального источника излучения на основегазового разряда в зависимости от параметров плазмы.9) Выполнить расчёт и определить диапазон изменений световых характеристик ИПР вцезии в зависимости от параметров разряда.

Определить оптимальные условия генерациисвета плазмой ИПР.10)Провестисравнениерезультатоврасчётовэлектрическихиоптическиххарактеристик ИПР с экспериментальными данными.Научная новизна работы.В диссертационной работе впервые предложен и исследован импульсно-периодическийразрядвысокогодавлениявпарахщелочногометаллакакисточниксветасрекомбинационным механизмом излучения. В процессе выполнения исследования:1) построена двухтемпературная многожидкостная модель импульсно-периодическогоразряда высокого давления, включающая в себя прямое интегрирование уравнения переноса8излучения;2) для расчёта теплообмена излучением в условиях аксиально-симметричной ЛТРплазмы разработан новый эффективный метод прямого интегрирования уравнения переносаизлучения, позволяющий выполнять моделирование нестационарного излучающего разряда;3) решено кинетическое уравнение для электронов в неравновесной пристеночнойобласти и сформулировано новое граничное условие для температуры электронов надиэлектрической стенке трубки;4) впервые показано, что характер газодинамических течений плазмы ИПР в условияхограниченного объёма дуги определяется её радиальной оптической плотностью;5) впервые показана возможность реализации разряда с нелокальным радиационныммеханизмомтеплообмена,обеспечивающимравномерноераспределениевложеннойэлектрической энергии по всему объёму столба дуги;6) рассмотрена эффективность источника излучения на основе столба ЛТР плазмыгазового разряда и получены зависимости спектральных потоков излучения от абсолютногозначения температуры на оси, радиального профиля температуры и радиальной оптическойтолщины дуги.Определеныусловия, при которых потоки излучениядостигаютмаксимальных значений;7) впервые показано, что спектр излучения ИПР в цезии имеет планковский характер взначительной части видимого спектра излучения в широком диапазоне давлений (100 – 800Торр).

При этом найдены режимы горения, в которых доля αvis видимого излучения в спектреBразряда достигает 57%, что существенно превышает максимальное значение  vis= 48% дляспектра излучения чёрного тела.8) впервые показано теоретически и подтверждено экспериментально, что приувеличении давления плазмы до 1 атм сдвиг порогов наиболее ярких 6P и 5Dфоторекомбинационных континуумов в длинноволновую сторону достигает 100 - 120 нм.Это приводит к слиянию этих континуумов и образованию практически сплошного спектраизлучения в видимой области.Теоретическая и практическая значимость работы.Исследованный в работе ИПР высокого давления в цезии может быть использован вкачестве энергоэффективного безртутного источника видимого излучения с высоким(практически солнечным) качеством цветопередачи.

Разработанная в диссертации модельИПР высокого давления может использоваться для исследования разрядов с другимнаполнением, при условии выполнения условий её применимости. Развитый в работе методпрямого интегрирования уравнения переноса излучения может использоваться для расчёта9теплообмена излучением в любой аксиально-симметричной ЛТР плазме.

Определённые вработеусловия,прикоторыхИПРкакисточниксветаобладаетнаибольшейэффективностью, могут быть использованы и для других излучающих разрядов. Полученныев диссертации результаты могут служить фундаментальной основой как для модернизациисуществующих, так и для разработки новых газоразрядных источников излучения.Перечислим здесь основные методы и подходы, которые использовались для решенияпоставленных в диссертации задач.‒ Макроскопические параметры плазмы ИПР слабо изменяются на расстоянияхпорядка длины свободного пробега и на временах порядка среднего времени междустолкновениями частиц.

Поэтому описание разряда на основе кинетического уравненияявляется в рассматриваемом случае избыточным и при построении математической моделиразряда использовались уравнения переноса массы, импульса и энергии, записанныеотдельно для каждого сорта частиц. Для получения этих уравнений в работе использовалсяизвестный подход, основанный на интегрировании уравнения Больцмана по пространствускоростей отдельно для каждой компоненты плазмы и развитый в работах С.И. Брагинского[1] и В.М.

Жданова [2].‒ Наличие в плазме ИПР локального термодинамического равновесия (дажечастичного) существенно упрощает теоретическое исследование разряда. В частности,существенно упрощается расчёт радиационных характеристик разряда. Обоснованиевозможности использования двухтемпературной модели ЛТР основано на анализе скоростейпроцессов нарушающих и восстанавливающих равновесие в плазме, сравнении временных ипространственных масштабов процессов, протекающих в ИПР высокого давления в цезии.Соответствующие критерии наличия ЛТР в низкотемпературной плазме рассматривались вработах [3,4].‒ При формулировании граничного условия для температуры электронов определялсяпоток энергии, выносимый электронами из неравновесного пристеночного слоя на стенкугазоразрядной трубки.

С этой целью для электронной компоненты плазмы в узкомпристеночном слое записывалось и решалось кинетическое уравнение Больцмана. Прирешении кинетического уравнения использовался метод преобразования Фурье.‒ Для расчёта теплообмена излучением в условиях, когда для значительной частиспектра радиальная оптическая толщина столба плазмы τR ≈ 1, используется подход,основанный на непосредственном решении уравнения переноса излучения (УПИ).

При этомрешение УПИ записывается в интегральной форме с учётом аксиальной симметрии разряда.Для контроля вычислений используются известные асимптотические решения УПИ дляслучаев оптически плотной и прозрачной плазмы (τR >> 1 и τR << 1), случай теплообмена10излучением в линии и диффузионное приближение.‒ Методика решения системы интегродифференциальных уравнений математическоймодели ИПР включает в себя два этапа. На первом этапе из системы исключаются скоростикомпонент плазмы и осуществляется переход от описания задачи в переменных Эйлера кпеременным Лагранжа. На втором этапе для полученной системы уравнений строится чистонеявная разностная схема первого порядка по временной переменной и второго порядка попространственной переменной.

Для построения разностной схемы используется интегроинтерполяционный метод.- Для проверки полученных теоретических результатов и выводов выполненосравнение расчётных и измеренных в эксперименте спектров выходящего из разрядаизлучения.Основные положения, выносимые на защиту.1.ДвухтемпературнаямногожидкостнаямодельИПРвцезиисучётомпроскальзывания компонент плазмы друг относительно друга и самосогласованным учётомтеплообмена излучением.2.

Метод прямого интегрирования уравнения переноса излучения для расчётатеплообмена излучением и спектра выходящего из разряда излучения в условиях аксиальносимметричной неоднородной ЛТР плазмы произвольной оптической плотности.3. Решение системы уравнений переноса массы, импульса и энергии в условиях ИПР вцезии совместно с уравнением переноса излучения в плазме.4.

Решение кинетического уравнения для электронов в неравновесной пристеночнойобласти и расчёт на его основе величины потока энергии, переносимой электронами изплазмы на диэлектрическую стенку. Формулировка граничного условия для температурыэлектронов на стенке газоразрядной трубки.5. Физическая картина процессов, протекающих при прохождении импульса тока вИПР: зависимость от времени полного давления p(t), напряжённости продольногоэлектрического поля Ez(t), радиальных профилей температуры электронов Te(r,t) и тяжёлыхчастиц Th(r,t).