Теоретическое и численное исследование свойств вакуумной дуги с активным анодом с учетом композитного материала контактов и внешнего магнитного поля (итоговый)

1) Показано, что стягивание тока в сильноточной вакуумной дуге (СВД) на аноде за счет эффекта Холла способно обеспечить тепловой поток достаточный для возникновения анодного пятна. В случае достаточно плотной плазмы, когда радиус стягивания тока на аноде много больше длины свободного пробега электронов, формирование прианодного слоя было промоделировано в рамках одномерного PIC-DSMC приближения. Было показано, что в этом случае прианодное падение остается отрицательным при любой плотности тока. Продемонстрировано, что косое магнитное поле слабо влияет на формирование анодного падения в этом случае. Проведенные кинетические расчеты показывают, что возникновение положительного падение потенциала в прианодном плазменном слое возможно в некоторых режимах функционирования дуги, однако, положительное падение не является ни необходимым, ни достаточным условием возникновения анодного пятна. 2) В рамках 2.5 мерной гибридной модели СВД, был проведен самосогласованный расчет нагрева анода при размыкании контакта СВД в течение полуволны тока промышленной частоты. Появление анодного плазменного факела (аналогичного найденному в экспериментах) было получено в результате моделирования. Показано, что одной из возможных причин появления анодного факела является поток энергии линейчатого излучения из межэлектродной плазмы на анод. 3) Создана модель формирования кратера на композитном катоде из дейтерированного циркония. Проведено сравнение формирования кратера на чистом и дейтерированном цирконии. Показано, что на чистом катоде среднее зарядовое число ионов больше, но на композитном катоде общая плотность ионов больше, поскольку плотности ионов циркония одинаковы. Показано также, что токи разряда очень близки на обоих катодах, но плотность потока энергии на композитном катоде больше, поэтому кратер на композитном катоде развивается быстрее. Рассчитана скорость абляции на стадии развития катодного пятна, вызванная различными механизмами. Показано, что на стадии развития кратера катодного пятна потерю массы, вызванную испарением, можно игнорировать, большая часть металла, выдавленная из кратера, выходит на катод и повторно затвердевает после тушения катодного пятна. Величина капельной абляции согласуется с экспериментом по порядку величины. 4) Исследовано поведение дуги с анодным пятном с электродами из CuCr25 с использованием 3D-магнитогидродинамической (МГД) модели. При достаточно высокой температуре в центре анода (> 2100 К) пары анода проникают в столб дуги образуя квазистационарный холодный плохопроводящий анодный факел. Результаты моделирования показывают, что из-за шестилепестковой формы распределения АМП, плотность тока и температура плазмы самые высокие возле слотов (вырезов электродов). Внутри факела температура плазмы очень низкая из-за процесса ионизации и обмена энергией между ионами, атомами и электронами. Плотность тока также мала из-за низкой электропроводности внутри факела. Наибольшая плотность атомов и однозарядных ионов расположена внутри факела, в то время как плотность двухзарядных ионов достигает максимума перед фронтом факела. Плотность трехзарядных ионов пренебрежимо мала и достигает максимума около слотов из-за высокой электронная температуры. 5) Предложен и исследован сценарий изменения морфологии приповерхностного слоя контактов вакуумного прерывателя тока с композитными CuCr электродами при горении дугового разряда. Исследованы гидродинамические и тепловые процессы при горении ячейки катодного пятна на осажденных каплях фазы внедрения (хрома) на поверхности медной матрицы. Для этого разработана двумерная гидродинамическая модель, описывающая нагрев, плавление и последующую динамику капли хрома, находящуюся на плоской неэродированной медной поверхности. Показано, что функционирование ячейки пятна на капле приводит к ее растеканию по поверхности и образованию нерегулярных пленок фазы внедрения. В случае, когда капля хрома находится на медной поверхности, рост температуры замедляется за счет более эффективного отвода тепла в медную подложку посредством теплопроводности. Отмечено, что данный эффект может приводить к прекращению тока в ячейке катодного пятна и ее гибели