Integrovaný parametrický výzkum elektrického oblouku s hybridní stabilizací při různých režimech proudění plazmatu
ID projektu:*M100430901
Poskytovatel:Akademie věd České republiky
Období:04.03.2009 - 03.03.2011
Hlavní řešitel:Ing. M.S.M.E. Jiří Jeništa, CSc.
SpoluřešiteléM. Hrabovský, T. Kavka

Cíle projektu: Cíle navrhovaného výzkumu jsou: 1) parametrické studie elektrického oblouku s hybridní stabilizací při subsonických-supersonických režimech, tj. numerický výzkum charakteristik a procesů v hybridním oblouku, speciálně při vysokých proudech a průtocích argonu, zahrnujících nadzvukové proudění plazmatu; a 2) detailní srovnání vypočtených výsledků s experimenty. Některé z počítaných výsledků poskytnou zpětnou vazbu pro experimenty: radiální profily Machova čísla u výstupní trysky budou použity pro nové vyhodnocení profilů Machova čísla a rychlosti, obdržených z experimentu (integrovaný přístup). Bude také provedeno srovnání mezi jinými veličinami. Další část tohoto výzkumu bude věnována mísení složek plazamatu ve výbojové komoře. Teoretický popis mísení bude proveden metodou kombinovaných dufuzních koeficientů pro tři složky plazamtu - vodík, argon a kyslík. Modelování difůze bude prospěšné z hlediska teorie i pro přesnější vyhodnocení dat z experimentu.

Dosažené výsledky: Průběh řešení, přehled výsledků a spolupráce se zahraničním pracovištěm Numerický model, vyvinutý ve spolupráci s japonskými kolegy, byl ve druhém roce řešení projektu využit k dalšímu výzkumu vlastností elektrického oblouku s hybridní stabilizací výboje axiálním a tangenciálním prouděním pracovního média (směs argonu a vodních par). Byly provedeny další výpočty pro proudy 300-600 A a průtoky argonu 22.5-40 standardních litrů za minutu (slm). Shrnutí hlavních výsledků: 1) Byl zformulován teoretický model mísení jednotlivých složek plazmatu v objemu hybridního výboje – argonu, kyslíku a vodíku na základě metody binárních difuzních koeficientů [1, 2]. V současné době se připravuje numerická implementace do stávajícího modelu. 2) Výsledky numerických výpočtů byly konfrontovány s dřívěji používanou metodou, založené na iterační proceduře SIMPLER [3]. Pro tento účel byl modifikován dřívější model a použity stejné transportní, termodynamické a radiační vlastnosti, jako v nynějším modelu, založené na metodě LU-SGS. Hustoty numerických sítí v obou metodách byly srovnatelné. Výpočty byly proveneny pro předpoklad laminárního proudění plazmatu. Numerické výpočty prokázaly principiální rozdíl mezi dvěma metodami – nižší teplotu v okrajích výboje pro všechny studované parametry výboje (300-600 A, 22.5-40 slm argonu) v současně používaném numerickém modelu. Tato vlastnost je způsobena především rozdílným upwindem a diskretizací konvektivního členu – v dřívější metodě se používá upwind 1. řádu, v nynější metodě se používá TVD (Total Variation Diminishing) schéma typu MUSCL 3. řádu přesnosti, v kombinaci s diferenční metodou Roe a LU-SGS metodou používanou pro řešení systému algebraických rovnic. V důsledku toho je spád elektrického potenciálu ve výbojové oblasti, účinnost a reabsorpce záření vyšší v současném modelu. Nicméně radiální profily teploty, rychlosti a Machova čísla na ústí výstupní trysky nejsou příliš ovlivněny rozdělením teploty uvnitř výboje – relativní rozdíly mezi oběma metodami jsou pod 20 %. Při použití metody parciálních charakteristik pro záření jsou obecně nižší relativní rozdíly mezi oběma metodami pro teplotu a další fyzikální veličiny, ve srovnání s metodou net emisních koeficientů. Srovnání s experimenty dává velmi dobrou shodu pro radiální teplotní profily u výstupní trysky. Obdržené výsledky byly prezentovány na konferenci CCP 2010 (Conference on Computational Physics), Trondheim, Norwegian University of Science and Technology (NTNU), Norsko, 23.-26.6.2010 a v letošním roce budou publikovány v časopise Computer Physics Communications (článek s názvem „A comparative numerical study of hybrid-stabilized argon-water electric arc” přijat 19.1.2011 k publikaci). 3) Experimentální studium oblouku s hybridní stabilizací v různých podmínkách určených proudem a průtokem argonu. Byl studován vliv proudu a výkonu oblouku a vliv průtoku plazmatu na parametry plazmového jetu a charakter proudění. Výsledky byly prezentovány na 10th International Symposium on Advanced Fluid Information & Transdisciplinary Fluid integration, AFI/TFI 2010, 1.-3.11.2010, Sendai, Japonsko. Spolupráce s japonským pracovištěm (Institute of Fluid Science, Tohoku University, Sendai; Prof. Hideya Nishiyama, Ass. Prof. Hidemasa Takana) se v uplynulém roce realizovala jen prostřednictvím emailů. Ass. Prof. Hidemasa Takana nemohl přijet na plánovaný měsíční pracovní pobyt do Ústavu fyziky plazmatu AV ČR, v.v.i. (ÚFP AV ČR) kvůli jeho pracovní zaneprázdněnosti. Navrhovatel projektu, Jiří Jeništa, nemohl vzhledem k dlouhodobým zdravotním problémům přijat pozvání japonských kolegů na podzimní pracovní pobyt v Institute of Fluid Science, Tohoku University, v Sendai v Japonsku. Příspěvek na sympoziu v Sendai odprezentoval místo J. Jeništy Ass. Prof. Hidemasa Takana (Investigation of supersonic hybrid-stabilized argon-water arc for biomass gasification: a comparative numerical study, 10th Int. Symp. on Advanced Fluid Information & Transdisciplinary Fluid integration, AFI/TFI 2010, 1.-3.11.2010, Sendai, Japonsko). [1] A. B. Murphy, Diffusion in equilibrium mixtures of ionized gases, Physical Review E, 48(5), 3594-3603, November 1993. [2] A. B. Murphy, Thermal plasmas in gas mixtures, J. Phys. D: Appl. Phys. 34, R151–R173, 2001. [3] S. V. Patankar, Numerical Heat Transfer and Fluid Flow, McGraw-Hill, New York, 1980. Publikace v roce 2010 spojené s tímto výzkumem: Konferenční příspěvky: [1] J. Jeništa, H. Takana, H. Nishiyama, M. Bartlová, V. Aubrecht, P. Křenek, M. Hrabovský, T. Kavka, V. Sember, A. Mašláni: A comparative numerical study of hybrid-stabilized argon-water electric arc. CCP 2010 Abstracts Conference on Computational Physics. Trondheim : Norwegian University of Science and Technology (NTNU), 2010, 350-351. [2] J. Jenista, H. Takana, H. Nishiyama, M. Hrabovsky: Investigation of supersonic hybrid-stabilized argon-water arc for biomass gasification: a comparative numerical study, Proc. of 10th Int. Symp. on Advanced Fluid Information & Transdisciplinary Fluid integration, AFI/TFI 2010, Nov. 1-3, Sendai, Japan, 2010, 54-55. Časopisy: [3] J. Jeništa, H. Takana, H. Nishiyama, M. Bartlova, V. Aubrecht, M. Hrabovsky: Parametric Study of Hybrid Argon-Water Stabilized Electric Arc under Subsonic and Supersonic Regimes: High Temperature Material Processes 14 1 (2010) 55-69. [4] J. Jeništa, H. Takana, H. Nishiyama, M. Bartlová, V. Aubrecht, P. Křenek, V. Sember, A. Mašláni: A comparative numerical study of hybrid-stabilized argon-water electric arc: Computer Physics Communications (accepted for publication 19.1.2011, in press). Kapitola v monografii: [5] J. Jeništa, H. Takana, H. Nishiyama, M. Bartlová, V. Aubrecht, P. Křenek, M. Hrabovský, T. Kavka, V. Sember, A. Mašláni: Integrated parametric study of hybrid-stabilized argon-water arc under subsonic and supersonic regimes. MetaCentrum Yearbook 2009. Prague : CESNET, 2010 - (I. Křenková; D. Antoš; L. Matyska) str. 53-60. ISBN 978-80-904173-7-3. Čerpání finančních prostředků Celková přidělená podpora činila 365 tis. Kč, z toho 260 tis. Kč na vědeckou činnost a 105 tis. Kč na cestovné. Vyčerpáno bylo 367 028.66 Kč; přičemž 2 028.66 Kč bylo uhrazeno z prostředků ÚFP AV ČR (viz čerpání finančních prostředků v příloze). Oproti plánu došlo k určité změně ve struktuře čerpání finančních prostředků. Vzhledem k tomu, že Ass. Prof. Hidemasa Takana nemohl přijet na plánovaný měsíční pracovní pobyt do ÚFP AV ČR, došlo k ušetření 125 tis. Kč. Po emailové konzultaci s referentem Ing. L. Horníčkem, PhD. z 20.-23.8.2010 byly s jeho souhlasem tyto peníze čerpány na software, knihy, školení na vědecko-technický software a navýšení odměn pro navrhovatele a spolupracovníky (viz rozpis níže). Nižší byly i cestovní výdaje pro navrhovatele – 35 tis.Kč místo plánovaných 50 tis. Kč; a ušetřeno bylo i 24.5 tis. Kč na výdajích na experiment, jelikož tyto výdaje byly financovány z jiných grantů oddělení Termického plazmatu ÚFP AV ČR. Na cestovné (letenka a ubytování) bylo vyčerpáno 35 tis.Kč. Zúčastnil jsem se konference CCP 2010 (Conference on Computational Physics 2010), v Trondheimu, Norsko, ve dnech 23.-26.6.2010. Na vědeckou činnost bylo spotřebováno 330 tis. Kč. Stručný rozpis jednotlivých položek: 1) Konferenční poplatek a stravné pro J. Jeništu na konferenci CCP 2010 ve výši 18 tis. Kč. 2) Elektronické a papírové knihy z nakladatelství Cambridge University Press, Viley-VCH, Springer: numerická matematika, software, fyzika plazmatu, numerické metody ve fyzice proudění tekutin, celkem za 60 tis. Kč (navýšení o cca 25 tis. Kč za Ass. Prof. Hidemasu Takanu). 3) Software: a) zakoupeny licence na Matlab 2010, dále na software pro ladění programů v jazycích Fortran a C++ na platformě MS Windows, tj. Intel Compiler Suite Professional Edition for Windows, Intel Parallel Studio, VTune Performance Analyzer for Windows, Microsoft Visual Studio 2008, celkem za 62 tis. Kč, b) zakoupeny upgrade programů EndNote X4, Tecplot Focus 2010 a OriginPro 8.5 za 14.5 tis. Kč, c) z úspor za Ass. Prof. Hidemasu Takanu byly dále pořízeny licence Maple 14 a Simulink 2010 ve výši 44 tis. Kč. 4) Školení na vědecko-technický software za 26 tis. Kč (Matlab 2010, Simulink 2010, Comsol Multiphysics 4, Mathematica 8) u firem Humusoft s.r.o. a Elkan s.r.o. Financováno z úspor za Ass. Prof. Hidemasu Takanu. 5) Výdaje na experiment ve výši 500 Kč (klíč). 6) Režie pro ÚFP AV ČR ve výši 10 tis. Kč. 7) Sociální a zdravotní pojištění organizace (ÚFP AV ČR) a odvod do sociálního fondu ve výši 25 tis. Kč (36 % z objemu odměn) - oproti návrhu navýšení o 15 tis. Kč. 8) Roční odměny řešitelskému týmu ve výši 70 tis. Kč – zde došlo oproti návrhu k navýšení o 30 tis. Kč (úspora za Ass. Prof. Hidemasu Takanu). Celkové zhodnocení projektu V rámci spolupráce s japonským pracovištěm byl vytvořen model obloukového výboje v plazmatronu s hybridní stabilizací oblouku proudícím plynem a vírem kapaliny pro režim vysokých rychlostí generovaného plazmatu. Model popisuje přechod proudění od podzvukového do nadzvukového režimu, který byl experimentálně potvrzen v hybridním plazmatronu při nejvyšších výkonech. Shrnutí hlavních výsledků: 1) proudění plazmatu ve výtokové oblasti plazmatronu hybridního výboje je nadzvukové při proudech vyšších než 500 A a průtocích argonu nad 27.5 slm. Nadzvuková struktura s Machovými disky se objevuje v centrálních oblastech výboje, v okrajových oblastech je proudění podzvukové. Vypočtené profily rychlosti, teploty a tlaku odpovídají podexpandovanému plazmovému jetu při atmosférickém tlaku. Maximální vypočtená rychlost na ose výboje pro 600 A a 40 slm argonu je 10 100 m s-1 s Machovým číslem 1.6. 2) Výsledky s radiačním modelem parciálních charakteristik dávají poněkud nižší teploty a vyšší rychlosti než s modelem net emisního koeficientu. Reabsorpce záření ve výboji je v rozmezí 31-45% a mírně se snižuje s rostoucím průtokem argonu. 3) Bylo zjištěno, že výpočty pro laminární a turbulentní režimy proudění dávají velmi podobné výsledky, takže proudění plazmatu za těchto podmínek a při předpokládané zjednodušené geometrii problému lze považovat za laminární. 4) Srovnání s dostupnými experimenty, provedenými na hybridním plazmatronu v ÚFP AV ČR bylo provedeno pro široký rozsah proudů a průtoků argonu: • Byla nalezena velmi dobra shoda mezi numerickými a experimentálními teplotními profily 2 mm od ústí trysky, s relativní odchylkou pod 10%. • Numerické rychlostní profily 2 mm od ústí trysky vykazují dobrou shodu s „přepočítanými“ experimentálními rychlostními profily, tj. rychlostními profily obdrženými jako součin profilů Machova čísla z výpočtů a rychlosti zvuku založené na teplotním profilu získaném z experimentů. • Vyhodnocení dat z experimentů pro 600 A poskytuje Machova čísla vyšší než 1, čímž je experimentálně potvrzena existence nadzvukové oblasti ve výboji. 5) Výsledky numerických výpočtů byly konfrontovány s dřívěji používanou metodou, založené na iterační proceduře SIMPLER s nižší přesností diskretizace konvektivního a difuzního členu v rovnici pro energii. Numerické výpočty prokázaly poněkud rozdílné rozložení teplot uvnitř výboje. V důsledku toho se reabsorpce, spád potenciálu nebo účinnost výboje liší v obou metodách až o 60 %. Nicméně veličiny u ústí výstupní trysky, jako např. radiální profily teploty, rychlosti a Machova čísla nejsou příliš ovlivněny rozdělením teploty uvnitř výboje. 6) Byl zformulován teoretický model mísení jednotlivých složek plazmatu v objemu hybridního výboje – argonu, kyslíku a vodíku na základě metody binárních difuzních koeficientů. V současné době se připravuje numerická implementace do stávajícího modelu. 7) Bylo provedeno experimentální studium oblouku s hybridní stabilizací v různých podmínkách určených proudem a průtokem argonu. Byl studován vliv proudu a výkonu oblouku a vliv průtoku plazmatu na parametry plazmového jetu a charakter proudění. Výsledkem jsou radiální profily teploty a rychlosti na výstupu výbojové komory, spád potenciálu, účinnost výboje a množství argonu obsaženého v plazmatu. Celkové zhodnocení: V rámci výzkumu se podařilo provést jak numerické simulace parametrů výboje plazmatronu s hybridní stabilizací při vysokých výkonech, tj. vysokých teplotách, rychlostech plazmatu a supersonických režimech proudění, tak i experimenty, jejichž výsledkem byly teploty, rychlosti, účinnost a další charakteristiky plazmatu. Výsledky srovnání výpočtů s experimenty jsou velmi dobré. Nad rámec plánovaných činností byla provedena numerická studie, porovnávající nový a starší numerický model. Na druhé straně se nepodařilo dotáhnout do konce model směšování složek plazmatu uvnitř výbojové komory. Hlavním důvodem byla dlouhodobější pracovní neschopnost navrhovatele v uplynulých dvou letech. Bez ohledu na ukončení tohoto projektu a finanční podpory bude J. Jeništa pokračovat na dokončení rozpracovaného modelu směšování. Výsledky výzkumu byly prezentovány na konferencích v Německu (ISPC 2009), Norsku (CCP 2010) a Japonsku (ICFD 2009, AFI/TFI 2009, AFI/TFI 2010) formou ústní nebo posterové prezentace. Bylo publikováno 5 příspěvků ve sbornících mezinárodních konferencí (ISPC 2009, ICFD 2009, AFI/TFI 2009, AFI/TFI 2010), 2 články v časopisech (High Temperature Material Processes, Computer Physics Communications) a 1 příspěvek v neperiodické monografii projektu MetaCentrum. Navrhovatel J. Jeništa připravuje v současné době další dvě publikace do časopisů J. Phys. D: Appl. Phys. a IEEE Transaction on Plasma Science, prezentující výsledky spojené s tímto výzkumem. Spolupráce s japonským pracovištěm (Institute of Fluid Science, Tohoku University, Sendai; Prof. Hideya Nishiyama, Ass. Prof. Hidemasa Takana) se realizovala prostřednictvím osobní návštěvy Ass. Prof. Hidemasa Takany v ÚFP AV ČR v termínu 11.8.-5.9.2009. Podzimní pracovní pobyty J. Jeništy v Sendai se v letech 2009 a 2010 byly zrušeny kvůli jeho zdravotním problémům. Komunikace mezi navrhovatelem J. Jeništou a japonskou stranou probíhala prostřednictvím emailů. Společné příspěvky na konferenci ICFD 6 (International Conference on Fluid Dynamics) a sympóziích AFI/TFI byly prezentovány Ass. Prof. Hidemasem Takanou. Čerpání peněz probíhalo v souladu s pravidly. V prvém roce řešení bylo vráceno 22 tis. Kč, ve druhém roce bylo vše vyčerpáno. Z finanční podpory se zrealizovala účast J. Jeništy na dvou zahraničních konferencích (Německo, Norsko), byl pozván japonský kolega H. Takana na měsíční pracovní pobyt do ÚFP AV ČR, dále byl zakoupen software, elektronické i papírové knihy, byly financovány výdaje na experiment, provozní náklady, odměny řešitelům a některé další drobnější položky. Přínos pro pracoviště AV ČR Numerický model obloukového výboje v plazmatronu s hybridní stabilizací oblouku proudícím plynem a vírem kapaliny, vyvinutý v rámci spolupráce s japonským pracovištěm, prokázal existenci nadzvukového režimu proudění při nejvyšších provozních výkonech. Tato skutečnost má význam jak pro studium fyziky výboje, tak i pro predikci teploty, tlaku a jiných veličin v plazmatronu. Uvedené numerické výpočty byly již použity pro upřesněné vyhodnocení dat z experimentu: při vyhodnocení rychlostních profilů těsně za tryskou plazmatronu z energetické bilance se předpokládá Machovo číslo konstantní po průřezu. Užitím vypočtených profilů Machova čísla se přepočetly rychlostní profily obdržené z experimentu. Shoda takto přepočtených profilů rychlosti s numerickými výsledky je velice dobrá. Modelové výpočty jsou využívány při optimalizaci stabilizační komory plazmatronu s hybridní stabilizací využívaného pro plazmové nástřiky a zplyňování organických látek. Rovněž konfrontace vyvinutého algoritmu s dřívěji používanou numerickou metodou prokázala jeho vyšší přesnost a vhodnost použití pro řešení úloh proudění plazmatu při nadzvukových rychlostech a velkých gradientech teploty a hustoty v plazmatu.