-Bex -Bex
Anode Cathode Axial flow velocity
vz
Only lateral gas
Model (A) Arc stability model using external
magnetic flux density Model (B) Arc deflection model using excessive external magnetic flux density Flow velocity vector
vy decreases
vz increases Convective heat transfer to downward direction increases
jz×( -Bex ) ↑ jz×( -Bex ) ↑ too much
Arc jet flows to axial direction Current I
Lateral gas
vy
Radial flow velocity
vz decreases Convective heat transfer to
radial direction occurs yd increases Arc jet flows to radial direction
vy increases
Convective force caused by lateral gas is applied to arc
Arc jet
yd decreases
vy increases
Convective heat transfer to radial direction increases Arc jet flows to radial direction
yd increases Arc
vz decreases Arc center of
height direction
jz× Bself jz× -Bex
yd
図 32 横風吹付け時の横磁界によるアーク軸中心部の流速増加モデル
Fig.32 Flow velocity at arc axial center using transverse magnetic field with lateral gas flow.
38
1.4.2 縦磁界によるアーク偏向抑制のモデル
次に，縦磁界を用いた際のアーク偏向抑制の仮説とモデルを述べる。陰極近傍で回転方向の ローレンツ力が増加するに伴ってアークジェットの流速が増大することにより，横風をアーク 外周部に誘導させることで偏向抑制ができるのではないかと仮説を立てた。この仮説を明らか にするモデルとして，図33，34に，横風下の縦磁界によるアーク偏向抑制の３次元分布と２次 元分布のモデルを示す。２次元分布のモデルは，３次元分布のモデルを正面から見た時のYZ 平面の分布を示す。
Model（A）は，陽極から陰極に向かって電流が流れており，熱電子放出が起きる箇所である
陰極点から電子が主に放出されるため，電界が大きくなり陰極先端部で電流が集中する。この 時，熱電子放出を引き起こす要因であるイオンも陰極先端部に向かう方向に動くため，このイ オンの速度と縦磁束密度により，回転方向の力が働く。これにより，イオンが回転方向に動く ことに伴い，中性粒子と衝突することで，せん断応力が発生し，回転駆動に追従するような力 が中性粒子に働く。この結果，中性粒子もイオンと同じ方向に回転しながら陽極方向に向かう ジェットが形成される。このため，マクロ的な回転流が形成されることで，アークジェットは 陽極に向かいつつ，回転しながら広がる。陰極直下では，電磁力によりピンチされることで高 まった圧力が直下方向に開放されるため，圧力勾配が大きくなる。この圧力勾配で加速されな がら回転するため，陽極に向かうにつれて回転の広がりが大きくなる。この外側方向に向かう アークの流速によって，風上では反対方向の流速は打ち消され，横風の流れはアークの外周部 側に流れようとする。この結果，２次元分布に示すように，外側方向にアークジェットが広が ることで，アーク偏向が抑制されることにより，陽極直上のアークが偏ることがなく，対称的 な熱流束分布が生じると考えられる。
これに対して，Model（B）は，横風とアークの風上側の接触面にて，横風内の粒子からアー ク内のイオンや中性粒子が風下方向の力を受ける。この横風の対流の力を受けて，風上側のイ オンや中性粒子が風下方向に移動するに伴って，アーク中心部のイオンや中性粒子も風下方向 に駆動される。これにより，陰極近傍から生じたアークジェットが，風下方向側に傾き，流れ やすくなる。この結果，２次元分布に示すように，陰極近傍で生じたアークジェットが径方向 に流れることによって，陽極表面では，アークが偏向し，偏った熱流束分布が生じると考えら れる。
以上のモデルを解明するために，横風流速と縦磁束密度をパラメータにして，解析を行う。
Baxial
I Arc Lateral gas flow
Anode Weld pool
Lorentz force Nozzle
Cathode
H
H H
Baxial
H
H H
Baxial
Baxial
H
H H
H
H H
Lateral gas
I Lateral gas flow Arc
Anode Weld pool
Nozzle Cathode
Baxial
H
H H
Flow velocity of lateral gas
Model (B) Arc deflection with lateral gas
Model (A) Arc stabilization using AMF (axial magnetic field) and lateral gas
H Gas particle Ion electron Moving direction Lorentz force
H
H H
H H H
Convective force
x y z
図 33 横風下の縦磁界によるアーク偏向抑制の３次元分布のモデル
Fig.33 Three-dimensional model of prevention of arc deflection affected by AMF (axial magnetic field) with lateral gas.
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Model (B) Arc deflection with lateral gas
Model (A) Arc stabilization using AMF and lateral gas
j×B
Cathode
Anode vL
Lateral gas flow velocity
Bamf
Cathode
Lateral gas flow velocity vL
Anode
Temperature T [K]
High
Low
Symmetry heat flux Deflected heat flux
j×B Arc jet
図 34 横風下の縦磁界によるアーク偏向抑制の２次元分布のモデル
Fig.34 Two-dimensional model of prevention of arc deflection affected by axial magnetic field with lateral gas.