Исследование влияния степени турбулизации потока плазмы на эффективность плазменного напыления
DOI:
https://doi.org/10.24160/0013-5380-2026-9-87-94Ключевые слова:
плазма, плазмотрон, источник питания, плазменный поток, ламинарное течение, турбулентное течение, широтно-импульсная модуляция (ШИМ), частотно-импульсная модуляция (ЧИМ)Аннотация
Статья посвящена исследованию влияния характера движения потока плазмы на теплообмен в процессе плазменного напыления. Приведена модернизированная схема электропитания плазмотрона, позволяющая независимо регулировать характеристики динамики потока с помощью широтно-импульсной и частотно-импульсной модуляции. В схему интегрирована система управления на базе микроконтроллера, поддерживающая режимы управляемой и случайной широтно-импульсной модуляции. Рассмотрены вопросы повышения устойчивости и безопасности работы регулятора. Представлены осциллограммы напряжения в ветви ключевого элемента для реализации требуемой регулировки. Исследовано влияние степени турбулизации потока плазмы на характеристики его теплообмена с мелкодисперсным металлическим порошковым материалом. Проведены измерения выходных характеристик процесса плазменного напыления при изменении степени турбулизации потока плазмы. Результаты, полученные в ходе экспериментов, затрагивают неисследованные ранее аспекты изучаемой концепции, дополняют существующие выводы и устраняют недостатки общих методологических подходов. Анализ экспериментальных данных позволяет сделать вывод о повышении эффективности теплопередачи в процессе плазменного напыления при работе со струей в режиме ламинарно-турбулентного перехода, что говорит о перспективности применения различных методов управления турбулизацией потока плазмы для совершенствования промышленного оборудования
Библиографические ссылки
1. Fauchais P.L., Heberlein J.V.R., Boulos M.I. Thermal Spray Fundamentals from Powder to Parts. New York: Springer, 2014, 1566 p.
2. Петреня Ю.К., Фролов В.Я., Иванов Д.В. Физико-технические аспекты диссипации энергии дуговой плазмы. Т. 1. СПб.: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2023, 281 с.
3. Донской А.В., Клубникин В.С. Электроплазменные процессы и установки в машиностроении. Л.: Машиностроение, 1979, 221 с.
4. Жуков М.Ф., Коротеев А.С., Урюков Б.А. Прикладная динамика термической плазмы. Новосибирск: Наука, 1975, 178 с.
5. Incropera F., Lepert J. Flow Transition Phenomena in a Subsonic Plasma Jet. – AIAA Journal, 1966, vol. 4, No. 6, pp. 1087–1088, DOI: 10.2514/3.3610.
6. Суров Н.С. Экспериментальное исследование распределения параметров в однофазной и двухфазной дозвуковых плазменных струях. – Теплофизика высоких температур, 1969, т. 7, № 2, с. 304–312.
7. Tao J. et al. Modeling of the Arc Characteristics inside a Thermal Laminar Plasma Torch with Different Gas Components. – Processes, 2024, vol. 12, DOI: 10.3390/pr12061207.
8. Jelinek P., Karlicky M. Turbulent Plasma Flow, Its Energies, and Structures: Velocity Vortices, Magnetic Field Cocoons, and Plasmoids. – Astronomy & Astrophysics, 2024, vol. 692, DOI: 10.1051/0004-6361/202449558.
9. Petrenya Y.K. et al. The Influence of Electric Arc Plasma Turbulence on Heat Transfer Processes Involving Powder Materials. – Energies, 2023, vol. 16, No. 15, DOI: 10.3390/en16155632.
10. Kriskovets D.S. et al. Analysis of the Turbulence Influence in the Electric Arc Plasma Flow by the Laboratory Study Method. – Вестник Башкирского университета, 2023, т. 28, № 3, с. 242–252.
11. Kriskovets D.S., Yushin B.A. Investigation of Isolated Plasma Flow Turbulence Variation on the Efficiency of Plasma Spraying. – Conf. of Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering, 2025, pp. 1100–1105.
12. Davidson P.A. Turbulence: An Introduction for Scientists and Engineers. Oxford: Oxford University Press, 2015, 656 p.
13. Raizer Y.P. Gas Discharge Physics. Berlin: Springer, 2011, 449 p.
14. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. М.: Юрайт, 2013, 701 с.
15. Yamanoor N.S., Yamanoor S. Introduction to the ESP32 Platform. – IoT Product Development Using ESP32 Microcontrollers, 2025, DOI: 10.1007/979-8-8688-1570-6-1.
16. Lynch K., Marchuk N., Elwin M.L. I2C Communication. – Embedded Computing and Mechatronics with the PIC32, 2016, pp. 191–211, DOI: 10.1016/B978-0-12-420165-1.00013-5.
17. Pat. US 2013/0063114 A1. Circuits and Methods for Controlling PWM Input of Driver Circuit / J. Agrawal, B. Sahu, 2014.
18. Meng S., Zhu W., Nie Z. Five-Frequency-Band Random PWM with Overlap Operator Optimization for Harmonic Peak Suppression. – Journal of Physics: Conf. Series, 2025, vol. 3110, DOI: 10.1088/1742-6596/3110/1/012006.
19. Ma C. et al. Analysis of Electromagnetic Vibration in Permanent Magnet Motors Based on Random PWM Technology. – Machines, 2025, vol. 13, No. 4, DOI: 10.3390/machines13040259.
20. Madasamy P. et al. Hybrid Multicarrier Random Space Vector PWM for the Mitigation of Acoustic Noise. – Electronics, 2021, vol. 10, No. 12, DOI: 10.3390/electronics10121483.
#
1. Fauchais P.L., Heberlein J.V.R., Boulos M.I. Thermal Spray Fundamentals from Powder to Parts. New York: Springer, 2014, 1566 p.
2. Petrenya Yu.K., Frolov V.Ya., Ivanov D.V. Fiziko-tekhnicheskie aspekty dissipatsii energii dugovoy plazmy. T. 1 (Physical and Engineering Aspects of Energy Dissipation in Arc Plasma. Vol. 1). SPb.: POLITEKh-PRESS, 2023, 281 p.
3. Donskoy A.V., Klubnikin V.S. Elektroplazmennye protsessy i ustanovki v mashinostroenii (Electroplasma Processes and Equipment in Machine Design). L.: Mashinostroenie, 1979, 221 p.
4. Zhukov M.F., Koroteev A.S., Uryukov B.A. Prikladnaya di-namika termicheskoy plazmy (Applied Dynamics of Thermal Plasma). Novosibirsk: Nauka, 1975, 178 p.
5. Incropera F., Lepert J. Flow Transition Phenomena in a Subsonic Plasma Jet. – AIAA Journal, 1966, vol. 4, No. 6, pp. 1087–1088, DOI: 10.2514/3.3610.
6. Surov N.S. Teplofizika vysokih temperatur – in Russ. (High Temperature Thermophysics), 1969, vol. 7, No. 2, pp. 304–312.
7. Tao J. et al. Modeling of the Arc Characteristics inside a Thermal Laminar Plasma Torch with Different Gas Components. – Processes, 2024, vol. 12, DOI: 10.3390/pr12061207.
8. Jelinek P., Karlicky M. Turbulent Plasma Flow, Its Energies, and Structures: Velocity Vortices, Magnetic Field Cocoons, and Plasmoids. – Astronomy & Astrophysics, 2024, vol. 692, DOI: 10.1051/0004-6361/ 202449558.
9. Petrenya Y.K. et al. The Influence of Electric Arc Plasma Turbulence on Heat Transfer Processes Involving Powder Materials. – Energies, 2023, vol. 16, No. 15, DOI: 10.3390/en16155632.
10. Kriskovets D.S. et al. Vestnik Bashkirskogo universiteta – in Russ. (Bulletin of Bashkir University), 2023, vol. 28, No. 3, pp. 242–252.
11. Kriskovets D.S., Yushin B.A. Investigation of Isolated Plasma Flow Turbulence Variation on the Efficiency of Plasma Spraying. – Conf. of Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering, 2025, pp. 1100–1105.
12. Davidson P.A. Turbulence: An Introduction for Scientists and Engineers. Oxford: Oxford University Press, 2015, 656 p.
13. Raizer Y.P. Gas Discharge Physics. Berlin: Springer, 2011, 449 p.
14. Bessonov L.A. Teoreticheskie osnovy elektrotekhniki. Elektricheskie tsepi (Theoretical Foundations of Electrical Engineering. Electrical Circuits). M.: Yurayt, 2013, 701 p.
15. Yamanoor N.S., Yamanoor S. Introduction to the ESP32 Platform. – IoT Product Development Using ESP32 Microcontrollers, 2025, DOI: 10.1007/979-8-8688-1570-6-1.
16. Lynch K., Marchuk N., Elwin M.L. I2C Communication. – Embedded Computing and Mechatronics with the PIC32, 2016, pp. 191–211, DOI: 10.1016/B978-0-12-420165-1.00013-5.
17. Pat. US 2013/0063114 A1. Circuits and Methods for Controlling PWM Input of Driver Circuit / J. Agrawal, B. Sahu, 2014.
18. Meng S., Zhu W., Nie Z. Five-Frequency-Band Random PWM with Overlap Operator Optimization for Harmonic Peak Suppression. – Journal of Physics: Conf. Series, 2025, vol. 3110, DOI: 10.1088/1742-6596/3110/1/012006.
19. Ma C. et al. Analysis of Electromagnetic Vibration in Permanent Magnet Motors Based on Random PWM Technology. – Machines, 2025, vol. 13, No. 4, DOI: 10.3390/machines13040259.
20. Madasamy P. et al. Hybrid Multicarrier Random Space Vector PWM for the Mitigation of Acoustic Noise. – Electronics, 2021, vol. 10, No. 12, DOI: 10.3390/electronics10121483
