Fluid DynamicsFluid DynamicsИзвестия Российской академии наук. Механика жидкости и газа1024-70843034-5340The Russian Academy of Sciences69196510.31857/S1024708425030057ArticlesСтатьиResearch ArticleExtended High-Current Arc Discharges in an External Magnetic Field in Gas MediaПРОТЯЖЕННЫЕ СИЛЬНОТОЧНЫЕ ДУГОВЫЕ РАЗРЯДЫ ВО ВНЕШНЕМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ В ГАЗОВЫХ СРЕДАХGilnovA. PГлиновА. Пgishur@imec.msu.ruGolovinA. PГоловинА. Пgnka_golovin_apsj@mail.ruKozlovP. VКозловП. Вkalevala@mail.ruMoscow State University, Research Institute of MechanicsМГУ им. М.В. Ломоносова, Научно-исследовательский институт механики150720253NO3 (2025)№3 (2025)475904102025Copyright ©; 2025, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2025, Российская академия наук2025Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://journals.eco-vector.com/1024-7084/article/view/691965

Extended (up to several tens of centimeters) high-current (hundreds of amperes) electric arcs in various gases at the atmospheric pressure are studied experimentally and theoretically. Such discharges have been studied on the electric discharge stand of the P-2000 facility of the Institute of Mechanics of Moscow State University. The data on the influence of an external magnetic field on the stability of such discharges and the formation of branched current channels are clarified. One of the areas of the research is the study of the effect of the orientation of the magnetic field imposed on the arc on the processes of development of the discharge in various gas media, such as air, CO2, Ar, and N2. The data for argon and nitrogen are presented most fully. The experiments were carried out in a chamber with transparent walls. The calculation and the theoretical study are carried out on the basis of an electrical engineering model using the empirical data on the volt-ampere characteristics of arcs between graphite electrodes. It is found that the stability of high-current arcs is significantly affected by electrode jet-flame dynamics. At the same time, the traditional models of arcs in the external magnetic field without taking these factors into account show that the direction of the external axial field does not affect the stability of the arcs, affecting only the direction of their twisting during the development of helical instability.

Экспериментально и теоретически исследованы протяженные (до нескольких десятков сантиметров) сильноточные (сотни ампер) электрические дуги в разных газах атмосферного давления. Изучение таких разрядов проведено на электроразрядном стенде установки П-2000 НИИ механики МГУ. В работе уточнены данные о влиянии внешнего магнитного поля на устойчивость таких разрядов и образование разветвленных токовых каналов. Одно из направлений проведенных исследований — изучение влияния ориентации наложенного на дугу магнитного поля на процессы развития разряда в разных газовых средах, таких как воздух, CO2, Ar, N2. Наиболее полно представлены данные для аргона и азота. Эксперименты проведены в камере с прозрачными стенками. Расчетно-теоретическое исследование проведено на основе электротехнической модели с использованием эмпирических данных по вольт-амперным характеристикам дуг между графитовыми электродами. Выявлено, что на устойчивость горения сильноточных дуг существенное влияние оказывает динамика электронных струй-факелов. Традиционные же модели дуг во внешнем магнитном поле без учета этих факторов показывают, что направление внешнего аксиального поля не влияет на стабильность дуг, влияя лишь на направление их закрутки при развитии винтовой неустойчивости.

extended electric arcmagnetic fielddischarge chambergraphite electrodesdischarge initiationпротяженная электрическая дугамагнитное полеразрядная камераграфитовые электродыинициирование разрядаРабота выполнена в соответствии с планом исследований НИИ механики МГУ им. М.В. Ломоносова, при частичном финансировании по гранту РФФИ № 18–29–21022.Финкельбург В., Меккер Г. Электрические дуги и термическая плазма. М.: ИЛ, 1961 с.Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1987. 592 с.Жуков М.Ф., Коротцев А.С., Урюков Б.А. Прикладная динамика термической плазмы. Новосибирск: Наука, 1975. 296 с.German V.O., Gilnov A.P., Golovin A.P., Kozlov P.V., and Lyubimov G.A. Some Features of Imaging of the Processes Occurring in an Extended Arc Discharge in Atmospheric Pressure Air // Plasma Physics Reports. 2013. V. 39. No. 13. P. 1142–1148.German V.O., Gilnov A.P., Kozlov P.V., and Lyubimov G.A. Effect of the Design Parameters and the Atmosphere Composition on the Electric Discharge Shape // Fluid Dynamics. 2011. V. 46. No. 6. P. 958–966.Gilnov A.P., Golovin A.P., Kozlov P.V., Shaleev K.V., Lyubimov G.A. Study of arc discharges on the P-2000 facility // J. Phys.: Conf. 2019. Ser. 1250 012019. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1250/1/012019Gilnov A.P., Golovin A.P., and Kozlov P.V. Studies of initiation and quenching of extensive high-current discharges // J. Phys.: Conf. 2021. Ser. 2055 012006. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2055/1/012006Глинов А.П., Головин А.П., Козлов П.В. Оптимизация струйных плазменных течений во внешнем магнитном поле // Прикладная физика. 2017. № 6. C. 26–32.Глинов А.П., Головин А.П., Шалеев К.В. Влияние внешнего магнитного поля на устойчивость протяженного дугового разряда и формирование многоканальных токовых структур // Прикладная физика. 2018. № 2. С. 21–28.Глинов А.П., Головин А.П., Козлов П.В. Изучение инициирования дуговых разрядов размышления первоначально замкнутых электродов // Физико-химическая кинетика в газовой динамике, издательство НИИ механики МГУ (Москва, 2020). Т. 21. № 2. https://doi.org/10.33257/PhChGD.21.2.916Глинов А.П., Головин А.П., Козлов П.В., Шалеев К.В. Динамика формы электрической дуги и сопутствующих магнитогазодинамических течений, возникающих при размышлении изначально замкнутых электродов // Физико-химическая кинетика в газовой динамике, издательство НИИ механики МГУ (Москва, 2019). Т. 20. № 2. https://doi.org/10.33257/PhChGD.20.2.835German V.O., Gilnov A.P., Kozlov P.V., Lyubimov G.A. Spectral Properties of a Diffuse–Constructed Arc Discharge // High Temperature. 2012. V. 50. No. 2. P. 167–177.Gilnov A.P. Stability of Conducting Medium Flows between Plane Continuous Electrodes Inclined to the Horizon // Fluid Dynamics. 2015. V. 50. No. 3. P. 322–331.Gilnov A.P. Two-Dimensional Analysis of the Stability of Conducting Medium Flows between Permeable Plane Electrodes Inclined to the Horizon // Fluid Dynamics. 2015. V. 50. No. 4. P. 483–493.Васильев Е.Н., Нестеров Д.А. Вычислительное моделирование взаимодействия электрической дуги с потоком газа // Изв. РАН. МЖТ. 2013. № 2. С. 126–136.Урусов Р.М., Урусова И.Р. Численное моделирование винтовой формы электрической дуги во внешнем аксиальном магнитном поле // ТВТ. 2017. Т. 55. Вып. 5. С. 661–668.Недоспасов А.В., Хаит В.Д. Основы физики процессов в устройствах с низкотемпературной плазмой. М.: Энергоатомиздат,1991. 224 с.Жуков М.Ф., Коротеев А.С. Теория термической электродуговой плазмы. Ч. 1,2. Новосибирск: СО Наука, 1987. 576 с.Брон О.Б., Сушков Л.К. Потоки плазмы в электрической дуге выключающих аппаратов. Л.: Энергия, 1975. 212 с.Петров А.Г. Точное решение уравнений осесимметричного движения вязкой жидкости между параллельными плоскостями при их обложении и раздвижении // Изв. РАН. МЖТ. 2019. № 1. С. 58–67.Ayrton H. The Electric Arc., The Electrician Series, D. Van Nostrand Company, Inc., N.Y., 1902. P. 120–130.Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1973. 736 с.Григорьев И.С., Мейлихов Е.З. Физические величины. Справочник. М.: Энергоатомиздат,1991. 1234 с.Кухлинг Х. Справочник по физике. М.: Мир, 1982. 519 с.Акимов Ю.В., Быкова Н.Г., Забелинский И.Е., Козлов П.В., Левашов В.Ю., Герасимов Г.Я. Программа расчета спектров двухатомных молекул “СПЕКТР” // Свидетельство о регистрации прав на ПО, базу данных № 2023687422 от 14 декабря 2023 года.Глинов А.П., Головин А.П., Козлов П.В. Особенности горения протяженных сильногенных дуг во внешнем магнитном поле в разных газовых средах // L Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС, 20–24 марта 2023, ICPAF–2023. Сб. тез. докл., М: ПЛАЗМАИОФАН 2023, 231 с.Глинов А.П., Головин А.П., Козлов П.В. Исследование инициирования и протекания тока и межэлектронной среды разных газов атмосферного давления в протяженных разрядных камерах // XIII Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике / Сб. тез. доклад. в 4 Т. 21–25 августа 2023 года, Санкт-Петербург. Т. 2. Механика жидкости и газа. Санкт-Петербургский политехнический ун-т Петра Великого. Санкт-Петербург. 2023. С. 743–745.