Spot formation at the anode of high intensity arcs

Abstract

A simple analytical model is proposed which describes the region between a plane, cooled nonablating anode and an arc column normal to the anode The model takes an initial arc contraction into account due to the low temperature of the anode (“thermal pinch”). The resulting magnetic pinch effect leads to an entrainment of cold gas which determines via an energy balance the final shape of the arc in the anode region. The conservation equations are solved numerically for the anode region with a relaxation method, and results are presented based on atmospheric arcs in nitrogen. Finally, limitations of this model and necessary refinements are briefly discussed; possible extensions of the arc parameter range for future work are proposed.

Zusammenfassung

Es wird ein vereinfachtes analytisches Modell vorgeschlagen, das eine Beschreibung der Zone zwischen einer ebenen, gekühlten, nicht verdampfenden Anode und einer senkrecht dazu brennenden Bogensäule gestattet. Dieses Modell zieht eine anfängliche Einschnürung des Lichtbogens, die durch die niedrige Anodentemperatur verursacht wird, in Betracht („Thermischer Pincheffekt“). Der daraus folgende magnetische Pincheffekt saugt kaltes Gas an und die entsprechende thermische Bilanz bestimmt dann die endgültige Form des Lichtbogens im Anodengebiet. Die Erhaltungsgleichungen werden für das Anodengebiet mit einer Relaxationsmethode numerisch gelöst und Ergebnisse, die sich auf einen Stickstoffbogen bei Atmosphärendruck beziehen, werden dargestellt. Schließlich werden die begrenzte Gültigkeit dieses Modells und notwendige Verbesserungen kurz diskutiert. Mögliche Ausweitungen des Lichtbogenparameterbereichs für zukünftige Arbeiten werden ebenfalls erwähnt.