Prädikative numerische Modellierung und Analyse der Entstehung von Bogenansatzmoden in Hochstrom-Vakuumlichtbögen - VArcA

• Antragsteller: Dr. Sergey Gortschakow; Tao Zhu, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 548964199

Die Weiterentwicklung der Vakuum-Lichtbogentechnologie in verschiedenen Anwendungen erfordert ein tieferes Verständnis der physikalischen Prozesse, die das Lichtbogenplasma und seine Wechselwirkung mit dem umgebenden Medium (Elektroden, Wände) steuern. Abhängig von den vorherrschenden physikalischen Prozessen in dem Lichtbogenplasma und von der Elektrodenaktivität wurde in Experimenten eine Reihe von Elektroden-Ansatzmoden beobachtet. Trotz umfangreicher Forschungsarbeiten sind einige wichtige Aspekte der Modenbildung noch nicht verstanden. Darüber hinaus sind Methoden zur Kontrolle des Auftretens der Ansatzmoden und der Übergänge zwischen ihnen von großer Bedeutung für die Optimierung der Betriebsregime in verschiedenen Anwendungen. Insbesondere fehlen die Kenntnisse über (1) Rolle der angeregten Spezies, speziell für die Prozesse in der Nähe der Elektroden und an der Peripherie des Lichtbogens; (2) Wechselwirkung zwischen Konvektions- und Diffusionsflüssen von Plasmaspezies; (3) Einfluss der Kathoden- und Anodenaktivität auf Modenbildung; (4) Einfluss der Elektrodenbewegung, der zeitlich variierenden Eingangsleistung und des externen Magnetfeldes auf Bildung verschiedener Ansatzmoden; (5) das Ausmaß, in dem ein Vakuumbogenmodell die experimentellen Ergebnisse vorhersagen kann. Das Projekt wird sich auf diese fünf Aspekte fokussieren. Die Projektarbeiten konzentrieren sich auf die Untersuchung des Kontraktionsverhaltens von Hochstrom-Vakuumlichtbögen und der Übergänge zwischen den Anodenansatzmoden mit folgenden Hauptzielen: (i) Klärung der Beziehung zwischen den verschiedenen Anodenanasatzmoden und den verschiedenen Transportprozessen von Plasmaspezies, insbesondere die vergleichende Analyse der Konvektion- und Diffusion-Flüsse; dies wird mit Hilfe eines selbstkonsistenten DC-Vakuumlichtbogenmodells durchgeführt; (ii) Klärung der Rolle angeregter Spezies und chemischer Reaktionspfade bei der Bildung von Bogenansatzmoden; dies wird mit Hilfe eines Stoß-Strahlung-Modells durchgeführt; (iii) Bestimmung der Rolle der Energie-, Impuls- und Massentransportprozesse in der Kathoden- und Anodengebieten bei der Kontraktion der Lichtbogensäule; dies wird mit Hilfe einer Parameterstudie durchgeführt; (iv) Untersuchung des Einflusses der Elektrodenbewegung und des AC-Stromversorgungsprozesses sowie des externen Magnetfeldes auf den Kontraktionsprozess; dies wird durch ein Entwicklung eines nichtstationären numerischen Modells erreicht, das auf einer Erweiterung des entwickelten DC-Modells basiert; (v) Ermittlung der Vorhersagekraft des entwickelten Vakuumbogenmodells; dies wird durch experimentelle Untersuchungen geschehen, welche die für die Validierung des Modells benötigten Daten, wie z.B. Speziesdichten, Temperaturen einzelner Spezies, Oberflächentemperatur, liefert. Die Ergebnisse der Untersuchungen werden das Wissen über die grundlegenden Mechanismen, die den Betrieb und die Steuerung des Vakuumlichtbogens bestimmen, deutlich erweitern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen