Ab initio modelling of thermal plasma gas discharges (electric arcs)

Wendelstorf, Jens

Die fundamentalen physikalischen Mechanismen von Lichtbogenentladungen wurden bereits im Jahre 1903 von J.Stark beschrieben. Dennoch war es bis heute praktisch kaum möglich, wesentliche Entladungsparameter quantitativ vorauszuberechnen. Ein fundamentales Problem der Modellierung lag in der Beschreibung der Nichtgleichgewichtsgebiete (Plasmaschichten) vor den Elektroden. Das andere war die Tatsache, daß es sich bei diesen elektrischen Entladungen um dissipative, selbstorganisierende Systeme handelt, deren Eigenschaften sich erst aus der komplexen Wechselwirkung ihrer Teilsysteme ergeben (Emergenz). Es wird ein Konzept zur quantitativen Vorausberechnung dieses Typs von Gasentladungen entwickelt. In einem ab initio Gesamtmodell werden die wesentlichen Eigenschaften der Entladung im Detail berechnet. Eine Variation der Entladungsparameter Gas, Druck, Strom und Katodendurchmesser weist die quantitative Berechenbarkeit der fundamentalen Verhaltensweisen von Lichtbögen im Entladungsdruckbereich von 0.1 bis 8 MPa und Strömen oberhalb von 1A für Argon, Xenon und Quecksilber als Plasmamedium nach. Es wird ein Vergleich mit dem Experiment vorgenommen, welcher die hohe Genauigkeit des entwickelten Kathodenfallmodells nachweist und Validierungsaussagen liefert. Durch Kopplung der modellmäßigen Erfassung der Teilsysteme wird die weitgehend vollständige quantitative Vorausberechenbarkeit dieses Typs von Gasentladungen nachgewiesen.

The fundamental physical mechanisms of electric arc discharges were described first by J.Stark in 1903. Nevertheless, a quantitative prediction of the fundamental discharge parameters was practically impossible up to now. One fundamental modelling problem was the description of the non equilibrium layers (plasma sheaths) in front of the electrodes. Additionally, such electric discharges are dissipative self organizing systems. Their properties emerge from the complex interaction of their parts. A concept of a complete self consistent quantitative prediction of such electric arcs was developed. In this ab initio model, the properties of arc discharges are computed in detail. A variation of the discharge parameters gas, pressure, current and cathode diameter establishes the quantitative predictability of the fundamental arc behaviour for a discharge pressure range of 0.1 to 8 MPa and arc currents above 1 A for argon, xenon and mercury fillings. An experimental validation is provided. Especially the high precision of the cathode layer model becomes evident leading to a first positive model assessment. By a numerical coupling of the partial systems models, a complete quantitave predictability of this type of electric gas discharges is established.

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Wendelstorf, Jens: Ab initio modelling of thermal plasma gas discharges (electric arcs). 2000.

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