Details

Объект исследования: высокочастотный индуктивный плазмотрон и процесс термической обработки дисперсных материалов в потоке плазмы. Цель работы: проектирование и моделирование генератора мощностью 60 кВА для установки термической обработки порошка оксида эрбия, анализ взаимодействия генератора с плазменной нагрузкой. Методология проведения работы: методы вычислительной и магнитной гидродинамики, теории электрических цепей. Численное моделирование выполнено методом конечных элементов в программном комплексе COMSOL Multiphysics и методами узлового анализа электронных схем. Результаты работы: разработана двумерная осесимметричная модель плазмотрона, рассчитаны эквивалентные электродинамические параметры системы индуктор-плазма. Создана трехмерная гидродинамическая модель струи с учетом выталкивающей силы Архимеда и поперечной инжекции транспортирующего газа. Рассчитаны траектории движения частиц оксида эрбия, выявлен эффект гравитационной сепарации дисперсного сырья. Выполнена верификация схемы автогенератора на базе триода YD1195 с переносом из среды MATLAB Simulink в COMSOL Multiphysics. Построена двусторонняя динамическая связь между электрической схемой и пространственной конечно-элементной моделью индуктора. Область применения: проектирование промышленных автоматизированных комплексов плазменной сфероидизации тугоплавких порошков и модернизация систем индукционного нагрева для аддитивных технологий. Выводы: смоделированная гидродинамическая обстановка создает оптимальные условия для расплавления и сфероидизации частиц. Подтверждена устойчивость работы спроектированного лампового генератора при критических колебаниях термодинамических параметров плазмы, включая режимы рекомбинации газа и ярко выраженного поверхностного скин-эффекта.

Object of study: high-frequency inductively coupled plasmatron and the process of thermal treatment of dispersed materials in a plasma flow. Purpose of work: design and modeling of a 60 kVA generator for a thermal treatment facility for erbium oxide powder, analyzing the generators interaction with the plasma load. Methodology: methods of computational fluid dynamics, magnetohydrodynamics, and electrical circuit theory. Numerical modeling is performed using the finite element method in COMSOL Multiphysics and nodal analysis methods. Results: a 2D axisymmetric model of the plasmatron was developed, and the equivalent electrodynamic parameters of the inductor-plasma system were calculated. A 3D hydrodynamic model of the plasma jet was created considering the Archimedes buoyancy force and transverse gas injection. Trajectories of erbium oxide particles were calculated, revealing the effect of gravitational separation of the raw material. The oscillator circuit based on the YD1195 triode was verified by migrating from MATLAB Simulink to COMSOL Multiphysics. A dynamic two-way link between the electrical circuit and the spatial finite-element inductor model was established. Application area: engineering design of industrial automated complexes for plasma spheroidization of refractory powders and modernization of induction heating systems for additive technologies. Conclusions: the simulated hydrodynamic environment ensures optimal conditions for the melting and spheroidization of particles. The operational stability of the designed tube generator was confirmed under critical fluctuations of thermodynamic plasma parameters, including gas recombination modes and pronounced surface skin effects.