Elucidation of Non-equilibrium Arc Cathode Spot Movement Phenomenon Toward Establishment of Ultrafast Oxide Layer Removal Method in Atmospheric Pressure

阐明非平衡电弧阴极光斑移动现象，建立大气压下超快氧化层去除方法

• 批准号: 21K04007
• 负责人: 岩尾 徹
• 金额: $ 2.58万
• 依托单位: Tokyo City University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K04007/
• 关键词: アーク放電; 陰極点; 酸化膜除去; パワーエレクトロニクス; 三次元電磁熱流体シミュレーション; 陰極点挙動; プラズマ; 3R

今年度は「初期圧力と磁束密度変化時におけるイオン分布の数値解析と観測」と題し、令和３年度の成果を駆使し，研究を行った。具体的には、２温度１流体とT-F理論を考慮した３次元電磁熱流体解析手法を確立し，初期圧力と磁束密度変化時におけるイオン分布の数値解析、並びに、陰極点の移動のシミュレーションを行った。また，陰極点の移動を制御する電流発生回路と磁界印加装置，バンドパスフィルタ，ハイスピードカメラ、多点分光技術を用いた計測手法を確立し，初期圧力と磁束密度変化時における陰極点の移動時の電子温度やイオン温度を算出するための計測と計算を行った。結果として、２温度１流体とT-F理論を考慮した３次元電磁熱流体解析手法を確立ができ，初期圧力と磁束密度変化時におけるイオン分布の数値解析、並びに、陰極点の移動のシミュレーションを行うことが可能となった。また、多点分光技術を用いた計測手法を確立することができ，初期圧力と磁束密度変化時における陰極点の移動時の電子温度やイオン温度を算出するための計測と計算陰極点の非平衡性と動きには、何かしらの相関があることが示唆された。また、AIを活用したシミュレーションの高効率化やデジタルツイン化に向けた取り組みを行った。これは、PCの性能だけでは、これ以上の計算の高速化が図れないためである。この点についても、学習に時間がかかるものの、チューニングがうまくいけば、計算時間が2/3になる知見を得た。ただし、精度はまだまだ低いため、今後も取り組みをしていく予定である。なお，研究の推進において、陰極点の移動を制御するためのパルス電流発生回路と磁界印加装置が、従来より性能が向上していないという課題が生じた。今後、さらに回路を検討していく。

今年的研究题为“初始压力和磁通密度变化期间离子分布的数值分析和观察”，充分利用了2021年获得的成果。具体来说，我们建立了考虑二温一流体和T-F理论的三维电磁热流体分析方法，并对初始压力和磁通密度变化时的离子分布进行了数值分析，并对阴极点的移动。此外，我们建立了一种使用电流发生电路、磁场施加装置、带通滤波器、高速相机和多点光谱技术来控制阴极点移动的测量方法，并开发了一种当初始压力和磁通密度变化时测量阴极点移动的方法进行测量和计算以计算电子和离子温度。因此，我们能够建立一种考虑两种温度、一种流体和 T-F 理论的三维电磁热流体分析方法，并且能够对初始压力和磁通密度时的离子分布进行数值分析。变化，并模拟阴极点的运动成为可能。此外，我们能够建立使用多点光谱的测量方法，并且我们能够进行测量和计算，以计算当初始压力和磁通密度变化时阴极点移动过程中的电子温度和离子温度有人提出，性和运动之间存在某种相关性。此外，还努力提高人工智能模拟的效率并创建数字孪生。这是因为仅靠 PC 性能无法进一步加快计算速度。关于这一点，我们也了解到，虽然学习需要时间，但如果调优成功，计算时间可以减少到2/3。但准确率仍然较低，因此我们计划在未来继续努力。此外，在研究过程中还出现了一个问题，即用于控制阴极点移动的脉冲电流产生电路和磁场施加装置的性能与传统方法相比没有得到改善。我们将在未来进一步研究该电路。

项目成果

Numerical simulation of external magnetic field effect on arc plasma after molten metal bridge breaking under different electrode opening velocities

不同电极打开速度下熔融金属断桥后外磁场对电弧等离子体影响的数值模拟

• DOI: 10.1063/5.0079263
• 发表时间: 2022
• 期刊: AIP ADVANCES
• 影响因子: 1.6
• 作者: Zhenwei Ren ; Yusuke Nemoto ; Yuki Suzuki ; Masahiro Takagi ; Honoka Morishita ; Toru Iwao
• 通讯作者: Toru Iwao

真空アークにおける3次元電磁熱流体シミュレーションを用いた陰極ジェットの流速と陰極温度の時間推移の解析

真空电弧三维电磁热工水力模拟阴极射流速度和阴极温度时程分析

• 发表时间: 2022
• 作者: 髙木 真宏 ; 鈴木 裕斗 ; 森下 穂香 ; 鈴木 祐揮 ; 根本 雄介 ; 任 振威 ; 岩尾 徹
• 通讯作者: 岩尾 徹

磁気駆動アークのリストライク直前における陽極点近傍の分光計測によるアーク温度算出

在磁力驱动电弧重燃之前，使用阳极点附近的光谱测量来计算电弧温度

• 发表时间: 2022
• 作者: 西郷 謙伸 ; 鈴木 裕斗 ; 一瀬 謹 ; 草刈 雄己 ; 任 振威 ; 根本 雄介 ; 岩尾 徹
• 通讯作者: 岩尾 徹

Analysis of Adverse Influence of Metal Vapor to Arc Movement Between Electrodes with External Magnetic Field Applied by Numerical Simulation

外磁场作用下金属蒸气对电极间电弧运动的不利影响的数值模拟分析

• DOI: 10.1002/tee.23498
• 发表时间: 2022
• 期刊: IEEJ TRANSACTIONS ON ELECTRICAL AND ELECTRONIC ENGINEERING
• 影响因子: 1
• 作者: Zhenwei Ren ; Yusuke Nemoto ; Yuki Suzuki ; Shinji Yamamoto ; Gaku Asanuma ; Toshiyuki Onchi ; Toru Iwao
• 通讯作者: Toru Iwao

Analysis of Arc Electron and Heavy Particle Temperature Distribution with Lateral Flow Velocity for Elucidation of Re-strike

分析电弧电子和重粒子温度分布与横向流速以阐明重击

• DOI: 10.1541/ieejpes.142.228
• 发表时间: 2022
• 期刊: IEEJ Transactions on Power and Energy
• 作者: Nemoto Yusuke;Suzuki Yuki;Ren Zhenwei;Maeda Yoshifumi;Iwao Toru
• 通讯作者: Iwao Toru