Numerical simulation of gap length influence on energy deposition in spark discharge

Автор(и)

  • K.V. Korytchenko Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Україна https://orcid.org/0000-0002-1005-7778
  • O.V. Shypul Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут», Україна https://orcid.org/0000-0002-1356-5831
  • D. Samoilenko Warsaw University of Technology, Poland https://orcid.org/0000-0003-3159-4801
  • I.S. Varshamova Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Україна https://orcid.org/0000-0001-7411-2302
  • А.A. Lisniak Національний університет цивільного захисту України, Україна https://orcid.org/0000-0001-5526-1513
  • S.V. Harbuz Національний університет цивільного захисту України, Україна https://orcid.org/0000-0001-6345-6214
  • K.M. Ostapov Національний університет цивільного захисту України, Україна

DOI:

https://doi.org/10.20998/2074-272X.2021.1.06

Ключові слова:

іскровий розряд, введення енергії, вплив довжини проміжку

Анотація

Метою роботи є дослідження впливу довжини іскрового проміжку на введення енергії в розрядний канал під час його газодинамічного розширення. Методика. Дослідження здійснено шляхом чисельного моделювання процесу розвитку іскрового розряду за відмінних значень довжини розрядного проміжку та за незмінних інших умов розряду. Довжина проміжку задавалась в межах від 1 мм до 20 мм. Дослідження проведено з використанням чисельної моделі розвитку іскри, що враховує процеси нестаціонарного газодинамічного розширення іскрового каналу, перехідний процес в електричному колі, нерівноважні хімічні процесі, іонізацію газу, теплообмін випромінюванням та електронною теплопровідністю. Моделювання здійснювалось у азоті атмосферного тиску. Розрахунок проводився для різних параметрів RLC кола, таких як ємність, індуктивність, опір і напруга на ємності. Результати. В результаті дослідження оцінено вплив довжини іскрового на розрядний струм, опір іскрового каналу, енергію, що виділяється в іскровому каналі, та розподіл термодинамічних параметрів газу під час розвитку іскрового розряду. Підтверджено, що збільшення довжини проміжку збільшує опір іскри. Оцінено відхилення від лінійного співвідношення між енергією, що виділяється, або енергією, що випромінюється, та довжиною іскрового проміжку. Наукова новизна. У розрядному колі із накопиченою енергією понад десятки джоулів виявлено лінійну залежність між довжиною проміжку та енергією, що виділяється у ньому. У розрядному колі із накопиченою енергією до одного джоуля виявлено відхилення від лінійної залежності. Практичне значення. Результати досліджень дозволяють прогнозувати вплив довжини іскрового проміжку на введення енергії в розрядний канал в умовах незначної зміни розрядного струму. В умовах суттєвої зміни амплітуди розрядного струму доцільно застосовувати чисельні дослідження для уточнення змін в енергії, що вводиться в іскровий розряд.

Біографії авторів

K.V. Korytchenko, Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Україна

Doctor of Technical Science, Professor

O.V. Shypul, Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут», Україна

Ph.D., Associate Professor

D. Samoilenko, Warsaw University of Technology, Poland

Dr Hab. Inż.

I.S. Varshamova, Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Україна

Senior Lecturer

А.A. Lisniak, Національний університет цивільного захисту України, Україна

Ph.D., Associate Professor

S.V. Harbuz, Національний університет цивільного захисту України, Україна

Ph.D.

K.M. Ostapov, Національний університет цивільного захисту України, Україна

Ph.D.

Посилання

Essmann S., Markus D., Grosshans H., Maas U. Experimental investigation of the stochastic early flame propagation after ignition by a low-energy electrical discharge. Combustion and Flame, 2020, vol. 211, pp. 44-53. doi: https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2019.09.021.

Kamenskihs V., Ng H.D., Lee J.H.S. Measurement of critical energy for direct initiation of spherical detonations in stoichiometric high-pressure H2–O2 mixtures. Combustion and Flame, 2010, vol. 157, issue 9, pp. 1795-1799. doi: https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2010.02.014.

Korytchenko K., Krivosheyev P., Dubinin D., Lisniak A., Afanasenko K., Harbuz S., Buskin O., Nikorchuk A., Tsebriuk I. Experimental research into the influence of two-spark ignition on the deflagration to detonation transition process in a detonation tube. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2019, vol. 4, no. 5 (100), pp. 26-31. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.175333.

Zhang B., Bai C. Critical energy of direct detonation initiation in gaseous fuel-oxygen mixtures. Safety Science, 2013, vol. 53, pp. 153-159. doi: https://doi.org/10.1016/j.ssci.2012.09.013.

Zhang J., Markosyan A.H., Seeger M., Veldhuizen E.M., Heesch E.J.M., Ebert U. Numerical and experimental investigation of dielectric recovery in supercritical N2. Plasma Sources Science and Technology. 2015, vol. 24, no. 2, pp. 025008. doi: https://doi.org/10.1088/0963-0252/24/2/025008.

Palomares J.M., Kohut A., Galbács G., Engeln R., Geretovszky Zs. A time-resolved imaging and electrical study on a high current atmospheric pressure spark discharge. Journal of Applied Physics. 2015, vol. 118, no. 23, pp. 233305. doi: https://doi.org/10.1063/1.4937729.

Gostimirovic M., Kovac P., Sekulic M., Skoric B. Influence of discharge energy on machining characteristics in EDM. Journal of Mechanical Science and Technology, 2012, vol. 26, no. 1, pp. 173-179. doi: https://doi.org/10.1007/s12206-011-0922-x.

Abramson I.S., Gegechkori N.М. Oscillographic research of spark discharge. Journal of Experimental and Theoretical Physics, 1951, vol. 21, no. 4, pp. 484-492.

Benito Parejo C., Michalski Q., Sotton J., Bellenoue M., Strozzi C. Characterization of Spark Ignition Energy Transfer by Optical and Non-Optical Diagnostics. 8th European Combustion Meeting, 2017, ECM2017.0198.

Knystautas R., Lee J.H. On the effective energy for direct initiation of gaseous detonations. Combustion and flame, 1976, vol. 27, pp. 221-230. doi: https://doi.org/10.1016/0010-2180(76)90025-0.

Minesi N., Stepanyan S., Mariotto P., Stancu G-D., Laux C. On the arc transition mechanism in nanosecond air discharges, AIAA Scitech 2019 Forum, 2019, 2019-0463. doi: https://doi.org/10.2514/6.2019-0463.

Gegechkori N.М. Experimental studies of spark discharge channel. Journal of Experimental and Theoretical Physics, 1951, vol. 21, no. 4, pp. 493-506.

Tanaka Y., Michishita T., Uesugi Y. Hydrodynamic chemical non-equilibrium model of a pulsed arc discharge in dry air at atmospheric pressure. Plasma Sources Science and Technology, 2005, vol. 14, no. 1, pp. 134-154. doi: https://doi.org/10.1088/0963-0252/14/1/016.

Tanaka Y., Sakuta T. Modelling of a pulsed discharge in N2 gas at atmospheric pressure, Journal of Physics D: Applied Physics, 1999, vol. 32, no. 24, pp. 3199-3207. doi: https://doi.org/10.1088/0022-3727/32/24/316.

Janda M., Machala Z., Niklová A., Martišovitš V. The streamer-to-spark transition in a transient spark: a dc-driven nanosecond-pulsed discharge in atmospheric air. Plasma Sources Science and Technology, 2012, vol. 21, no. 4, p. 045006. doi: https://doi.org/10.1088/0963-0252/21/4/045006.

Marode E., Bastien F., Bakker M. A model of the streamer-induced spark formation based on neutral dynamics. Journal of Applied Physics, 1979, vol. 50, no. 1, p. 140-146. doi: https://doi.org/10.1063/1.325697.

Paxton A., Gardner R., Baker L. Lightning return stroke. A numerical calculation of the optical radiation. Physics of Fluids, 1986, vol. 29, no. 8, p. 2736. doi: https://doi.org/10.1063/1.865514.

Shneider M. Turbulent decay of after-spark channels. Physics of Plasmas, 2006, vol. 13, no. 7, p. 073501, doi: https://doi.org/10.1063/1.2218492.

Korytchenko K., Essmann S., Markus D., Maas U., Poklonskii Ye. Numerical and Experimental Investigation of the Channel Expansion of a Low-Energy Spark in the Air. Combustion Science and Technology, 2019, vol. 191, no. 12, pp. 2136-2161. doi: https://doi.org/10.1080/00102202.2018.1548441.

Korytchenko K., Markov V., Polyakov I., Slepuzhnikov E., Meleshchenko R. Validation of the numerical model of a spark channel expansion in a low-energy atmospheric pressure discharge. Problems of Atomic Science and Technology, 2018, vol. 4, pp. 144-146.

Korytchenko K., Poklonskiy E., Vinnikov D., Kudin D. Numerical simulation of gas-dynamic stage of spark discharge in oxygen. Problems of Atomic Science and Technology, 2013, vol. 4, pp. 155-160.

Korytchenko K.V., Poklonskii E.V., Krivosheev P.N. Model of the spark discharge initiation of detonation in a mixture of hydrogen with oxygen. Russian Journal of Physical Chemistry B, 2014, vol. 8, no. 5, pp. 692-700. doi: https://doi.org/10.1134/S1990793114050169.

Korytchenko K.V., Tomashevskiy R.S., Varshamova I.S., Meshkov D.V., Samoilenko D. Numerical investigation of energy deposition in spark discharge in adiabatically and isothermally compressed nitrogen. Japanese Journal of Applied Physics, 2020, vol. 59, no. SH, p. SHHC04. doi: https://doi.org/10.35848/1347-4065/ab72cc.

Zel'dovich Y.B., Raizer Yu. Physics of shock waves and high-temperature hydrodynamic phenomena. Dover Publications, Inc., Mineola, NY, 2002, 896 p.

Petersen E.L., Hanson R.K. Reduced kinetics mechanisms for ram accelerator combustion. Journal of Propulsion and power, 1999, vol. 15, no. 4, pp. 591-600. doi: https://doi.org/10.2514/2.5468.

Belmouss M. Effect of electrode geometry on high energy spark discharges in air. Thesis, Purdue University West Lafayette, Indiana, 2015, 556.

Li X., Liu X., Zeng F., Yang H., Zhang Q. Study on Resistance and Energy Deposition of Spark Channel Under the Oscillatory Current Pulse. IEEE Transactions on Plasma Science, 2014, vol. 42, no. 9, pp. 2259-2265. doi: https://doi.org/10.1109/tps.2014.2331346.

Hemmi R., Yokomizu Y., Matsumura T. Anode-fall and cathode-fall voltages of air arc in atmosphere between silver electrodes. Journal of Physics D: Applied Physics, 2003, vol. 36, no. 9, pp. 1097-1106. doi: https://doi.org/10.1088/0022-3727/36/9/307.

Abramson I.S., Gegechkori N.М. Oscillographic research of spark discharge. Journal of Experimental and Theoretical Physics, 1951, vol. 21, no. 4, pp. 484-492.

Donskoi A.V., Goldfarb V.M., Klubnikin V.S., Dresvin S.V., Eckert H.U., Cheron T. Physics and technology of low-temperature plasmas. Iowa State University Press, 1977. 471 p.

Raizer Yu. Gas discharge physics. Spinger-Verlag, Germany, 1991. 460 p.

##submission.downloads##

Опубліковано

2021-02-23

Як цитувати

Korytchenko, K. ., Shypul, O. ., Samoilenko, D. ., Varshamova, I. ., Lisniak А. ., Harbuz, S. ., & Ostapov, K. . (2021). Numerical simulation of gap length influence on energy deposition in spark discharge. Електротехніка і Електромеханіка, (1), 35–43. https://doi.org/10.20998/2074-272X.2021.1.06

Номер

Розділ

Інженерна електрофізика. Техніка сильних електричних та магнітних полів