Plazma tabancalarındaki plazma oluşumunun sayısal modellenmesi ve parametrik incelenmesi
Numerical modeling of plasma formation in plasma torch and parametric investigation
Yazar: FATİH DEMİR
Danışman: DOÇ. DR. ABUZER ÖZSUNAR
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada taranan literatür sonucunda aktarımsız DC plazma tabancası (plazma torcu) modellenmiştir. Plazma tabancası üç boyutlu olarak modellenmiştir ve içerisinde gerçekleşen akış türbülanslı ve sıkıştırılamaz olarak kabul edilmiştir. Çalışma akışkanı olarak argon kullanılmıştır. Çözümlemeler zamana bağlı ve zamandan bağımsız olarak yapılmıştır. Çalışmada anot ark kökü bağlantısının yeri belirlenmeye ve anot duvarı aşınması azaltılmaya çalışılmıştır. Katot duvarından tanımlanan farklı akım değerleri ve gazın farklı hacimsel debilerinin, plazma sıcaklığı, plazma hızı, plazma çıkış sıcaklığı ve hızı, plazma elektrik potansiyeli, anot ark kökü bağlantı noktası sıcaklığı, anot ark kökü oluşum noktası ve verim üzerine etkileri incelenmiştir. Ayrıca plazma tabancasının çıkış çapı ve anot duvarının uzunluğu değiştirilerek ark bağlantı noktası değişimleri incelenmiş ve plazma tabacasının verimi hesaplanmıştır. Analizler yapılırken plazma tabancası içerisinde elektrik arkından dolayı ortaya çıkan elektromanyetik alan ile gaz akışı arasındaki etkileşimi ortaya koyabilmek için ANSYS Fluent ve manyetohidrodinamik modülü beraber kullanılmıştır. Çalışmada akım ve gazın hacimsel debisinin etkilerini incelemek için analizlerin bir bölümünde akım değeri sabit tutulup, gazın hacimsel debisi değiştirilmiştir diğer bölümde ise gazın hacimsel debisi sabit tutulup akım değeri değiştirilmiştir. Plazma tabancasının farklı çıkış çapı ve farklı anot duvarı uzunluğu için yapılan çözümlerde akım ve hacimsel debi değeri sabit tutulmuştur. Gazın hacimsel debisinin sabit tutulup, akımın artırılarak değiştirilmesiyle plazma sıcaklığının, anot ark bağlantı noktası sıcaklığının ve plazma hızının arttığı görülmüştür. Anot ark bağlantı noktasının ise artan akım değerleriyle plazma tabancasınınnun girişine doğru hareket ettiği görülmüştür. Akım değerinin sabit tutularak, gazın hacimsel debisinin artırılarak değiştirilmesiyle plazma sıcaklığında ve anot ark bağlantı noktası sıcaklığında kayda değer bir değişiklik olmadığı görülmüştür. Artan hacimsel debiyle plazma hızı arttığı görülmüştür. Anot ark bağlantı noktası ise artan hacimsel debiyle plazma tabancasınınnun çıkışına doğru hareket ettiği görülmüştür. Elde edilen sonuçlar literatürle karşılaştırıldığında uyum içinde olduğu görülmektedir.

Abstract:
As a result of the literature investigated in this study, a non-transferred DC plasma torch is modeled. The plasma torch is modeled as three-dimensional and the flow is assumed to be turbulent and incompressible. Argon was used as working fluid. The solutions were done as time-independent (steady-state) and time-dependent (transient). In this study, the position of the anode arc root attachment was tried to be determined and the erosion of the anode wall was tried to be reduced. The effects of the current values defined by the cathode wall and the different volumetric flows of the gas on the plasma temperature, plasma velocity, plasma exit temperature and velocity, plasma electrical potential, anode arc root point temperature, anode arc root attachment and torch efficiency were investigated. ANSYS Fluent and Magnetohydrodynamic modules are used together to reveal the interaction between the electromagnetic field caused by the electric arc in the plasma torch and the gas flow. In order to investigate the effects of current and gas volumetric flow rate in the study, the current value was kept constant in one part of the analysis and the volumetric flow rate of the gas was changed. In the other part, the gas flow rate was kept constant. Additionally, the current and volumetric flow rate are kept constant in the solutions made for different output diameter and different anode wall length of the plasma torch. At the constant gas volumetric flow, plasma temperature, anode arc root attachment temperature and plasma velocity were increased with increasing the current. It has been observed that the anode arc root point moves towards the entrance of plasma torch with increasing current values. At constant current, it has been observed that there is no significant change in the plasma temperature and the anode arc root attachment temperature by increasing the gas flow rate. It has been seen that the plasma velocity increases with increasing gas flow rate. The anode arc root point moves towards the exit of plasma torch with increasing gas flow rate. It is seen that the the obtained results are consistent with the literature.