DOI: 10.17586/2226-1494-2020-20-2-277-282


УДК536.2

РАСЧЕТ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ ЩЕЛЕВОГО ЛАЗЕРА

Горбунова А.Ю., Кораблев В.А., Заричняк Ю.П.


Читать статью полностью 
Язык статьи - русский

Ссылка для цитирования:
Горбунова А.Ю., Кораблев В.А., Заричняк Ю.П. Расчет теплофизических свойств многокомпонентной газовой среды щелевого лазера // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2020. Т. 20. № 2. С. 277–282. doi: 10.17586/2226-1494-2020-20-2-277-282


Аннотация
Предмет исследования. Предложена методика определения теплопроводности и вязкости газовой среды щелевого лазера, основанная на использовании известных свойств ее составляющих. Определение теплопро- водности необходимо для составления математической и тепловой моделей при разработке теплового режима. Особенностью предложенной методики является возможность получения эффективных значений характеристик с достаточной точностью для газов сложного состава, содержащих более двух компонентов. Метод. Методика расчета заключается в последовательном применении формул Линдсея–Бромли и Вилке для бинарного газа к компонентам смеси в зависимости от их мольной концентрации. Порядок выбора компонентов обусловлен наименьшим отклонением расчетных значений от справочных данных. Основные результаты. Верификация метода произведена сравнением расчетных и экспериментальных данных для смесей из трех составляющих. Установлено, что неопределенность значений вязкости не превышает 1,5 % при среднем значении отклонения менее 1 %. Среднее отклонение значений теплопроводности выше, но при этом неопределенность не превы- шает 5 %. Для наиболее часто применяемого состава смеси газов среды щелевого лазера, состоящей из CO2, N2, Xe и He, вычислены теплофизические свойства для случаев минимальной и максимальной концентрации возникающего в процессе эксплуатации монооксида углерода. Показаны поэтапное применение метода и зави- симость теплопроводности от температуры. В диапазоне рабочих температур наблюдается существенный рост теплопроводности (более чем в два раза). Так, в диапазоне комнатных температур (300 К) теплопроводность составляет 0,067 Вт/(м∙К), при 800 К достигает значений 0,14 Вт/(м∙К). Подобное различие создает существенную неравномерность температурного поля газовой среды и существенно влияет на стабильность работы лазера. Практическая значимость. Полученные результаты могут найти применение при разработке щелевых лазеров, а также устранить перепады мощности и стабилизировать работу уже эксплуатируемых лазеров путем регулирования концентраций компонентов газового состава.

Ключевые слова: теплопроводность, вязкость, многокомпонентная газовая смесь, щелевой лазер, метод определения теплопроводности

Список литературы
  1. Бреттшнайдер К. Лазерная обработка металлов – ключ к успеху для контрактных производителей // Фотоника. 2009. № 2. С. 6–9.
  2. Казакевич В.С., Яресько С.И.Тенденции развития рынка лазерных технологий для решения задач лазерной обработки материалов. Часть 1. Мировойлазерный рынок // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2014. Т. 16. № 4. С. 266–275.
  3. Горбунов А.К., Жданов С.М., Пчелинцева Н.И. О возможности использования наночастиц меди для повышения долговечности отпаянного СО2-лазера // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2012. № 2.С. 52.
  4. Toptan A. A Novel Approach to Improve Transient Fuel Performance Modeling in Multi-Physics Calculations. North Carolina State University, 2019. 157 p.
  5. Рид Р.К.,Праусниц Дж. М., Шервуд Т.К.Свойства газов и жидкостей: справочное пособие. Л.: Химия,1982. 592 c.
  6. Wassiljewa A. Heat conduction in gas mixtures // Physikalische Zeitschrift. 1904. V. 5. N 22. P. 737–742.
  7. Lilliestråle A., Mølnvik M. J., Tangen G., Jakobsen J.P., Munkejord S.T., Morin A., Størset S.O. The IMPACTS Project: The Impact of the Quality of CO2 on Transport and Storage Behaviour // Energy Procedia. 2014. V. 51. P. 402–410. doi: 10.1016/j.egypro.2014.07.047
  8. Mason E.A., Saxena S.C. Approximate formula for the thermal conductivity of gas mixtures // Physics of Fluids. 1958. V. 1. N 5. P. 361–369. doi: 10.1063/1.1724352
  9. Lindsay A.L., Bromley L.A. Thermal conductivity of gas mixtures // Industrial and Engineering Chemistry. 1950. V. 42. N 8. P. 1508–1511. doi: 10.1021/ie50488a017
  10. Brokaw R.S. Estimating thermal conductivities for nonpolar gas mixtures // Industrial and Engineering Chemistry. 1955. V. 47. N 11. P. 2398–2400. doi: 10.1021/ie50551a056
  11. Шашков А.Г., Абраменко Т.Н. Теплопроводность газовых смесей. М.: Энергия, 1970. 288 с.
  12. SinghK., SoodN.K. Viscosity and thermal conductivity of gas mixtures // Indian Journal o fPure & Applied Physics. 2003. V. 41. N 2. P. 121–127.
  13. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М: Наука, 1972. 720 с.
  14. Цирельман Н.М., Комаров А.В. Определение теплофизических свойств многокомпонентной газовой смеси // Вестник УГАТУ. 2017. Т. 21. № 1. С. 128–135.
  15. Перфильев В.О.,Скрыль Ю.В.,Шушуев Д.А.  Экспериментальная установка СО2-лазера с щелевой геометрией //Известия АлтГУ. 2005. № 1. С. 134–135.
  16. Веснов И.Г., Мольков С.И., Степанов В.А., Шишканов Е.Ф. Диссоциация двуокиси углерода в отпаянных волноводных СО2-лазерах с высокочастотным возбуждением //Квантовая электроника. 2000.Т. 30. № 1. С. 15–19.


Creative Commons License

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License
Информация 2001-2020 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика