Modeling of systems and processes

Моделирование систем и процессов

2219-0767

57907

10.12737/2219-0767-2023-16-1-67-77

Физико-математические науки

Methods of calculation and evaluation of a thermionic plasma-drop generator with magnetic charge separation

Методы расчета и оценки термоэмиссионного плазменно-капельного генератора с магнитной сепарацией заряда

Писарев

Андрей Евгеньевич

Pisarev

Andrey Evgen'evich

Писарева

Светлана Вячеславовна

Pisareva

Svetlana Vyacheslavovna

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» National Research Nuclear University “MEPhI”

Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov

29 03 2023

16 1 67 77 25 03 2023

https://zh-szf.ru/en/nauka/article/57907/view

Выполнены разработка проектных решений и предварительное расчетное обоснование характеристик высоковольтного плазменно-капельного генератора с магнитной сепарацией зарядов. Целью исследования было подтверждение возможности создания источника тока с рабочим напряжением порядка 107 В. Предлагаемый метод преобразования энергии основан на сепарации заряженных капель из пылевой плазмы в градиентном магнитном поле. Зарядка капель происходит вследствие термоэмиссии с их поверхности. Представлено схематическое описание генератора и предложена элементарная расчетная модель. Эта модель делится на 4 блока, описывающие различные процессы, происходящие в устройстве. Обсуждены допущения и упрощения необходимые для оценки. Получены предварительные расчетные данные по эффективности плазменно-капельного генератора с магнитной сепарацией зарядов в условиях, приближенных к реально достижимым по технологиям изготовления. Основными параметрами для оценки стали мощность, коэффициент полезного действия, напряжение и индукция магнитного поля. В результате выполненных расчетов показана принципиальная возможность создания работоспособного плазменно-капельного генератора на основе предложенных решений. Полученные результаты являются не точными и требуют дальнейшего улучшения модели и изучения процессов, проходящих в генераторе.

The development of design solutions and preliminary calculation substantiation of the characteristics of a high-voltage plasma-drop generator with magnetic charge separation have been completed. The aim of the study was to confirm the possibility of creating a current source with an operating voltage of about 107 V. The proposed energy conversion method is based on the separation of charged drops from dusty plasma in a gradient magnetic field. Droplets are charged due to thermal emission from their surface. A schematic description of the generator is presented and an elementary calculation model is proposed. This model is divided into 4 blocks that describe the various processes taking place in the device. The assumptions and simplifications necessary for the evaluation are discussed. Preliminary calculation data on the efficiency of a plasma-drop generator with magnetic charge separation have been obtained under conditions close to those actually achievable by manufacturing technologies. The main parameters for evaluation were power, efficiency, voltage and magnetic field induction. As a result of the calculations performed, the fundamental possibility of creating a workable plasma-drop generator based on the proposed solutions is shown. The results obtained are not accurate and require further improvement of the model and study of the processes taking place in the generator.

Пылевая плазма термоэлектронная эмиссия магнитные зеркала объемная конденсация прямое преобразование энергии

Dusty plasma thermionic emission magnetic mirrors bulk condensation direct energy conversion.

Стаханов, И.П. Физика термоэмиссионного преобразователя / И.П. Стаханов, В.Е. Черковец. - М. : Энергоатомиздат, 1985. - 208 с.

Stahanov, I.P. Fizika termoemissionnogo preobrazovatelya / I.P. Stahanov, V.E. Cherkovec. - M. : Energoatomizdat, 1985. - 208 s.

Жуховицкий, Д.И. Ионизационное равновесие в плазме с конденсированной дисперсной фазой. Химия плазмы (PlasmaChemistry) / Д.И. Жуховицкий, А.Г. Храпак, И.Т. Якубов. - М. : Энергоатомиздат, 1984. - 130 с.

Zhuhovickiy, D.I. Ionizacionnoe ravnovesie v plazme s kondensirovannoy dispersnoy fazoy. Himiya plazmy (PlasmaChemistry) / D.I. Zhuhovickiy, A.G. Hrapak, I.T. Yakubov. - M. : Energoatomizdat, 1984. - 130 s.

Sodha, M.S. PHYSICS OF COLLOIDAL PLASMAS / M.S. Sodha, S. Guha // Advanced Plasma physics. - 1971. - Vol. 4. - Pp. 219-309.

Soo, S.L. Multiphase Fluid Dynamics / S.L. Soo. - Brookfield: Gower Technical, 1990. - Pp. 427-449.

Пылевая плазма / В.Е, Фортов, А.Г. Храпак, С.А. Храпак [и др.] // Успехи физических наук. - 2004. - Т. 174, № 5. - С. 495-544. - DOI: 10.3367/UFNr.0174.200405b.0495

Pylevaya plazma / V.E, Fortov, A.G. Hrapak, S.A. Hrapak [i dr.] // Uspehi fizicheskih nauk. - 2004. - T. 174, № 5. - S. 495-544. - DOI: 10.3367/UFNr.0174.200405b.0495

Разработка технологии термоэмиссионного преобразования энергии на основе капельно-плазменной рабочей среды / Д.Г. Лазаренко, Г.Э. Лазаренко, П.И. Прудников, И.И. Андрюшин // Научно-технический вестник Поволжья. - 2013. - № 1. - С. 28-30.

Razrabotka tehnologii termoemissionnogo preobrazovaniya energii na osnove kapel'no-plazmennoy rabochey sredy / D.G. Lazarenko, G.E. Lazarenko, P.I. Prudnikov, I.I. Andryushin // Nauchno-tehnicheskiy vestnik Povolzh'ya. - 2013. - № 1. - S. 28-30.

Vishnyakov, V.I. Thermodynamic reasons of agglomeration of dust particles in the thermal dusty plasma / V.I. Vishnyakov, G.S.Dragan // Condensed Matter Physics. - 2003. - Vol. 6, No. 4(36). - Pp. 687-692. - DOI: 10.5488/CMP.6.4.687.

Смирнов, Б.М. Процессы в плазме и газах с участием кластеров / Б.М. Смирнов // Успехи физических наук. - 1997. - Т. 167, № 11. - С. 1169-1200.

Smirnov, B.M. Processy v plazme i gazah s uchastiem klasterov / B.M. Smirnov // Uspehi fizicheskih nauk. - 1997. - T. 167, № 11. - S. 1169-1200.

Yakubov, I.T. Thermophysical and electrophysical properties of low temperature plasma with condensed disperse phase / I.T. Yakubov, A.G. Khrapak // Soviet Technology Reviews. Section B: Thermal Physics Reviews. - 1989. - Т. 2. - С. 269.

10.

Кутепов, А.М. Гидродинамика и теплообмен при парообразовании / А.М. Кутепов, Л.С. Стерман, Н.Г. Стюшин. - М. : Высшая школа, 1986. - 352 с.

Kutepov, A.M. Gidrodinamika i teploobmen pri paroobrazovanii / A.M. Kutepov, L.S. Sterman, N.G. Styushin. - M. : Vysshaya shkola, 1986. - 352 s.

11.

Писарев, А.Е. Кинетика зарядки низкотемпературной плазмы / А.Е. Писарев // Арктика: инновационные технологии, кадры, туризм. - 2021. - № 1(3). - С. 90-94.

Pisarev, A.E. Kinetika zaryadki nizkotemperaturnoy plazmy / A.E. Pisarev // Arktika: innovacionnye tehnologii, kadry, turizm. - 2021. - № 1(3). - S. 90-94.

12.

Sodha, M.S. Kinetics of Complex Plasmas with Liquid Droplets / M.S. Sodha // Springer Series on Atomic, Optical, and Plasma Physics (SSAOPP), 2014. - Pp. 263-275.

13.

Гавриков, A.В. Плазменно-пылевые структуры при внешних воздействиях: зарядка макрочастиц, их динамика и явления переноса : специальность 01.04.08 Физика плазмы : дис. … д-ра ф.-м. наук : защищена 20.05.2019 / Гавриков Андрей Владимирович. - М., 2019. - 110 с.

Gavrikov, A.V. Plazmenno-pylevye struktury pri vneshnih vozdeystviyah: zaryadka makrochastic, ih dinamika i yavleniya perenosa : special'nost' 01.04.08 Fizika plazmy : dis. … d-ra f.-m. nauk : zaschischena 20.05.2019 / Gavrikov Andrey Vladimirovich. - M., 2019. - 110 s.

14.

Писарев, А.Е. Сепарация пылевой плазмы магнитными зеркалами / А.Е. Писарев // Физические основы современных наукоемких технологий : сборник Международного научно-методического семинара, посвященного 100-летию со дня рождения профессора А.Л. Гутмана. - Воронеж, 2022. - С. 106-109.

Pisarev, A.E. Separaciya pylevoy plazmy magnitnymi zerkalami / A.E. Pisarev // Fizicheskie osnovy sovremennyh naukoemkih tehnologiy : sbornik Mezhdunarodnogo nauchno-metodicheskogo seminara, posvyaschennogo 100-letiyu so dnya rozhdeniya professora A.L. Gutmana. - Voronezh, 2022. - S. 106-109.

15.

Синельников, К.Д. Лекции по физике плазмы / К.Д. Синельников, Б.Н. Руткевич. - Харьков,1964. - 242 с.

Sinel'nikov, K.D. Lekcii po fizike plazmy / K.D. Sinel'nikov, B.N. Rutkevich. - Har'kov,1964. - 242 s.

16.

Роуз, Д. Физика плазмы и управляемые термоядерные реакции / Д. Роуз, М. Кларк. - М. : Госатомиздат, 1963. - 487 с.

Rouz, D. Fizika plazmy i upravlyaemye termoyadernye reakcii / D. Rouz, M. Klark. - M. : Gosatomizdat, 1963. - 487 s.

17.

Bernstein, W. Oscillations in the B-1 Stellarator / W. Bernstein, A.Z. Kranz, F. Tenney // Physics of Fluids. - 1959. - Vol. 2. - C. 713. - DOI: 10.1063/1.1705976.

18.

The Divertor, a Device for Reducing the Impurity Level in a Stellarator / C.R. Burnett, D.J. Grove, W.R. Palladino [et al.] // Wakefield Physics of Fluids. - 1958. - Vol. 1. - C. 438. - DOI: 10.1063/1.1724361.

19.

Григорьев, И.С. Физические величины: справочник / И.С. Григорьев, Е.З. Мейлихов. - М. : Энергоатомиздат, 1991. - 1232 с.

Grigor'ev, I.S. Fizicheskie velichiny: spravochnik / I.S. Grigor'ev, E.Z. Meylihov. - M. : Energoatomizdat, 1991. - 1232 s.

20.

Государственная служба стандартных справочных данных в области использования атомной энергии «РОСАТОМ» НИЯУ МИФИ. Теплофизические свойства жидкого калия и его пара. - URL: http://gsssd-rosatom.mephi.ru/DB-tp-01/K.php (дата посещения: 07.02.2023).

Gosudarstvennaya sluzhba standartnyh spravochnyh dannyh v oblasti ispol'zovaniya atomnoy energii «ROSATOM» NIYaU MIFI. Teplofizicheskie svoystva zhidkogo kaliya i ego para. - URL: http://gsssd-rosatom.mephi.ru/DB-tp-01/K.php (data posescheniya: 07.02.2023).

21.

Jerby, E. Localized microwave-heating (LMH) of basalt - Lava, dusty-plasma, and ball-lightning ejection by a «miniature volcano» / E. Jerby, Y. Shoshani // Scientific Reports. - 2019. - V. 9. - C. 12954. - DOI: 10.1038/s41598-019-49049-5.

22.

Davari, H. Particle simulation of the strong magnetic field effect on dust particle charging process / H. Davari, B. Farokhi, M. Ali Asgarian // Scientific Reports. - 2023. - V. 13. - C. 1111. - DOI: 10.1038/s41598-023-28310-y.

23.

Formation of solid helical filaments at temperatures of superfluid helium as self-organization phenomena in ultracold dusty plasma / R.E. Boltnev, M.M. Vasiliev, E.A. Kononov [et al.] // Scientific Reports. - 2019. - V. 9. - C. 3261. - DOI: 10.1038/s41598-019-40111-w.

24.

Tao, L.-L. Effects of the dust size distribution on shock waves in dusty plasma / L.-L. Tao, W.-S. Duan // Chinese Journal of Physics. - 2020. - Vol. 68. - Pp. 950-960. - DOI: 10.1016/j.cjph.2020.10.031.

25.

Envelope solitons of the nonlinear discrete vertical dust grain oscillation in dusty plasma crystals / A. Houwe, S. Abbagari, M. Inc [et al.] // Chaos, Solitons & Fractals. - 2022. - Vol. 155(6). - C. 111640. - DOI: 10.1016/j.chaos.2021.111640.

26.

Лосева, Т.В. Пылевые ионно-акустические ударные волны в лабораторной, ионосферной и астрофизической плазме / Т.В. Лосева, С.И. Попель, А.П. Голубь // Физика плазмы. - 2020. - Т. 46, № 11. - С. 1007-1025. - DOI: 10.31857/S0367292120110049.

Loseva, T.V. Pylevye ionno-akusticheskie udarnye volny v laboratornoy, ionosfernoy i astrofizicheskoy plazme / T.V. Loseva, S.I. Popel', A.P. Golub' // Fizika plazmy. - 2020. - T. 46, № 11. - S. 1007-1025. - DOI: 10.31857/S0367292120110049.

27.

Процессы зарядки пылевых частиц в замагничной плазме газового разряда / Н.Х. Бастыкова, С.К. Коданова, Т.С. Рамазанов, Ж.А. Молдабеков // Вестник Казахского Национального Университета. Серия физическая. - 2020. - № 1 (72). - С. 42-48. - DOI: 10.26577/RCPh.2020.v72.i1.05.

Processy zaryadki pylevyh chastic v zamagnichnoy plazme gazovogo razryada / N.H. Bastykova, S.K. Kodanova, T.S. Ramazanov, Zh.A. Moldabekov // Vestnik Kazahskogo Nacional'nogo Universiteta. Seriya fizicheskaya. - 2020. - № 1 (72). - S. 42-48. - DOI: 10.26577/RCPh.2020.v72.i1.05.

28.

Шумова, В.В. Электрофизические параметры плазмы с заряженным пылевым облаком / В.В. Шумова, Д.Н. Поляков, Л.М. Василяк // Химическая физика. - 2020. - Т. 39, № 12. - С. 37-42. - DOI: 10.31857/S0207401X20120134.

Shumova, V.V. Elektrofizicheskie parametry plazmy s zaryazhennym pylevym oblakom / V.V. Shumova, D.N. Polyakov, L.M. Vasilyak // Himicheskaya fizika. - 2020. - T. 39, № 12. - S. 37-42. - DOI: 10.31857/S0207401X20120134.

29.

Одновременное влияние внешнего магнитного поля и силы трения на локализацию частиц двумерной Юкава системы / Р.У. Машеева, К.Н. Джумагулова, Т.С. Рамазанов, З. Донко // Евразский союз ученых. - 2018. - № 4(49). - С. 48-53.

Odnovremennoe vliyanie vneshnego magnitnogo polya i sily treniya na lokalizaciyu chastic dvumernoy Yukava sistemy / R.U. Masheeva, K.N. Dzhumagulova, T.S. Ramazanov, Z. Donko // Evrazskiy soyuz uchenyh. - 2018. - № 4(49). - S. 48-53.

30.

Распространение трехмерного фронта кристаллизации в сильнонеидеальной пылевой плазме / Д.И. Жуховицкий, В.Н. Наумкин, А.И. Хуснулгатин [и др.] // Журнал экспериментальной и теоретической физики. - 2020. - Т. 157, № 4. - С. 734-744. - DOI: 10.31857/S0044451020040173.

Rasprostranenie trehmernogo fronta kristallizacii v sil'noneideal'noy pylevoy plazme / D.I. Zhuhovickiy, V.N. Naumkin, A.I. Husnulgatin [i dr.] // Zhurnal eksperimental'noy i teoreticheskoy fiziki. - 2020. - T. 157, № 4. - S. 734-744. - DOI: 10.31857/S0044451020040173.

31.

Файрушин, И.И. Аналитический расчет состава термической пылевой плазмы с металлическими частицами / И.И. Файрушин // Химия высоких энергий. - 2020. - Т. 54, № 6. - С. 497-500. - DOI: 10.31857/S0023119320060042.

Fayrushin, I.I. Analiticheskiy raschet sostava termicheskoy pylevoy plazmy s metallicheskimi chasticami / I.I. Fayrushin // Himiya vysokih energiy. - 2020. - T. 54, № 6. - S. 497-500. - DOI: 10.31857/S0023119320060042.

32.

Исследования пылевой газоразрядной плазмы на космической установке «плазменный кристалл-3 Плюс» (обзор) / А.М. Липаев, В.И. Молотков, Д.И. Жуховицкий [и др.] // Теплофизика высоких температур. - 2020. - Т. 58, № 4. - С. 485-514. - DOI: 10.31857/S0040364420040092.

Issledovaniya pylevoy gazorazryadnoy plazmy na kosmicheskoy ustanovke «plazmennyy kristall-3 Plyus» (obzor) / A.M. Lipaev, V.I. Molotkov, D.I. Zhuhovickiy [i dr.] // Teplofizika vysokih temperatur. - 2020. - T. 58, № 4. - S. 485-514. - DOI: 10.31857/S0040364420040092.

33.

Влияние разных процессов электронной эмиссии на сверхвысокую зарядку пылевой частицы в плазме пучком энергетических электронов / Ю.С. Акишев, А.А. Балакирев, В.Б. Каральник [и др.] // Низкотемпературная плазма в процессах нанесения функциональных покрытий. - 2019. - Т. 10, № 1. - С. 274-279.

Vliyanie raznyh processov elektronnoy emissii na sverhvysokuyu zaryadku pylevoy chasticy v plazme puchkom energeticheskih elektronov / Yu.S. Akishev, A.A. Balakirev, V.B. Karal'nik [i dr.] // Nizkotemperaturnaya plazma v processah naneseniya funkcional'nyh pokrytiy. - 2019. - T. 10, № 1. - S. 274-279.