Features of distribution of electric field strength and current density in the reactor during treatment of liquid media with high-voltage pulse discharges

Abstract

Development and use of a mathematical model of the stages of formation of high-voltage pulse discharges in gas bubbles in the discharge gap «rod-plane» to identify the features of the electric field intensity distribution in the reactor and determine the current density in the load during disinfection and purification of liquid media by high-voltage pulse discharges and find the most rational treatment. Methodology. To achieve this goal, we used computer modeling using the finite element method as a method of numerical analysis. An experimental reactor model was created that takes into account the dynamics of discharges in gas bubbles in water. The equations describing the system include the generalized Ampere equation, the Poisson equation and the electric displacement equation, taking into account the corresponding initial and boundary conditions, as well as the properties of materials. The dependence of the potential of a high-voltage electrode on time has the form of a damped sinusoid, and the specific electrical conductivity in a gas bubble is a function of time. Processes occurring at the front of the voltage pulse from 0 to 20 ns are considered. Results. It is shown that with an increase in conductivity and high-voltage potential to amplitude values in a gas bubble, the electric field strength in the water layer in the reactor reaches 70 kV/cm, and it is in the water layer that there is a strong electric field. The calculations show that already by 19th ns the density of conduction currents in water prevails over that of displacement currents. At the same time, additional inclusions in the water significantly affect the distribution of electric field strength and current density, creating a significant difference in their values at the boundaries of the interface between the bubble, conductive element and water. Originality. A simulation of the dynamics of transient discharge processes in a gas bubble and a layer of water with impurities was carried out, including an analysis of the distribution of the electric field strength and current density in a system with rod-plane electrodes in the phase transition section of a gas bubble-water. This approach allows us to reveal the features of processes in reactors and to investigate the influence of phase transitions on the distribution of electrophysical quantities. Practical value. Computer simulations confirm the prospect of using nanosecond discharges generated in gas bubbles within a volume of water for widespread industrial use and are of great interest for further experimental and theoretical research.

Розробка та використання математичної моделі стадій формування високовольтних імпульсних розрядів у газових бульках в розрядному проміжку «стрижень-площина» для виявлення особливостей розподілу напруженості електричного поля в реакторі і визначення густини струму в навантаженні при знезаражуючій обробці і очищенні рідких середовищ високовольтними імпульсними розрядами та знаходження найбільш раціональних режимів обробки. Методика. Для досягнення поставленої мети ми використовували комп’ютерне моделювання за допомогою методу скінченних елементів як методу чисельного аналізу. Створено модель експериментального реактора, що враховує динаміку розрядів у газових бульках у воді. Рівняння, що описують систему, включають узагальнене рівняння Ампера, рівняння Пуассона і рівняння електричного зміщення, з урахуванням відповідних початкових і граничних умов, а також властивостей матеріалів. Залежність потенціалу високовольтного електрода від часу має форму затухаючої синусоїди, а питома електропровідність у газовій бульці є функція часу. Розглянуто процеси, що протікають на фронті імпульсу напруги від 0 до 20 нс. Результати. Показано, що зі зростанням провідності та високовольтного потенціалу до амплітудних значень у газовій бульці, напруженість електричного поля в шарі води в реакторі досягає значень 70 кВ/см, і саме в шарі води існує сильне електричне поле. З розрахунків випливає, що біля 19-ої нс, густина струмів провідності у воді вже перевершує густину струмів зміщення. При цьому додаткові включення в воді істотно впливають на розподіл напруженості електричного поля та густини струму, створюючи значне збільшення в їх значеннях на границях розділу середовищ між бульбашкою, провідним елементом та водою. Наукова новизна. Проведено моделювання динаміки швидкоплинних процесів розряду в газовій бульці та шарі води з домішками, включно з аналізом розподілу напруженості електричного поля і густини струму в системі з електродами «стрижень-площина» в ділянці фазового переходу газова булька-вода. Цей підхід дозволяє розкрити особливості процесів в реакторах і дослідити вплив фазових переходів на розподіл електрофізичних величин. Практична цінність. Комп’ютерне моделювання підтверджує перспективу застосування наносекундних розрядів, що генеруються в газових бульках усередині об’єму води, для широкого промислового використання і становлять великий інтерес для подальших експериментальних і теоретичних досліджень.