Моделирование кинетических процессов в плазме высоковольтного наносекундного импульсного разряда в молекулярных газах

Актуальное гь темы. Работа посвящена теоретическому исследованию процессов в плазме высоковольтного наносекундного импульсного разряда, который развивался в объеме в форме волны ионизации или вдоль диэлектрической поверхности (поверхностный барьерный разряд). Указанные типы разряда поддерживаются при высоких значениях приведенного электрического поля Е/Ы (И — плотность нейтральных частиц), что обеспечивает значительный вклад энергии разряда в ионизацию молекул и возбуждение их электронных уровней. Характерные начальные концентрации электронов лежат в диапазоне Ю12- 1015 см" 3. Кроме этого, для волн ионизации характерно наличие области параметров, в которой развитие разряда происходит однородно, что позволяет значительно упросшть моделирование разрядных процессов за счет перехода к нульмерной постановке задачи.

Плазма с указанными параметрами встречается в различных традиционных плазменных приложениях: газовых лазерах, источниках света и плазмохимии. В последнее десятилеше также интенсивно развивается ряд новых приложений ' неравновесной разрядной плазмы. К ним, в частности, относится плазменная аэродинамика, где важную роль может играть управление газовыми потоками с помощью магнитогазодинамического (МГД) взаимодействия и локального нагрева газа, а также плазменно — стимулированное воспламенение горючих газовых смесей.

Обработка экспериментальных данных по динамике изменения плотности электронов в послесвечении высоковольтного наносекундного разряда позволяет получать новую информацию о константах скорости гибели электронов для процессов, определяющих время жизни плазмы при достаточно высоких плотностях заряженных частиц. Эта информация необходима при моделировании неравновесной плазмы. Имеющиеся измерения констант скорости электрон — ионной рекомбинации в молекулярных газах относятся, как правило, к плазме более низкой концентрации, когда тройная рекомбинация с третьим телом — электроном не играет заметной роли. Исследование свойств высоковольтного импульсного разряда, в котором могут создаваться высокие плотности однородной плазмы при относительно невысоком энерговкладе, а значит — и невысокой степени диссоциации и возбуждения газа, позволяет восполнить указанный пробел и служит источником новых данных по скоростям электрон — ионной рекомбинации.

Цель работы. Целью работы является теоретическое изучение процессов, происходящих в высоковольтном наносекундном импульсном разряде и его послесвечении, построение и верификация кинетической модели, позволяющей описывать свойства разряда применительно к следующим задачам:

— моделирование распада плазмы молекулярных газов и их смесей при комнатной и повышенных температурах газа;

— численное моделирование наработки активных частиц в смесях насыщенных углеводородов с молекулярным кислородом или воздухом, а также моделирование динамики плазменио — стимулированного воспламенения для смеси метана с воздухом;

— теоретическое изучение механизмов быстрого (на временах менее 1 мкс при 1 атм) нагрева в воздухе и других смесях N2:02 при высоких приведенных электрических полях ?/?(300 — 1000 Тд, где 1 Тд = Ю-17 В см2).

Научная новизна. 1. Выполнено моделирование распада плазмы высоковольтного 3 наносекундного разряда в молекулярных газах при высоких (~10~см) начальных концентрациях электронов, а также произведена верификация модели на основе экспериментальных данных. Впервые моделирование выполнено в предположении о том, что электрон — ионная рекомбинация с третьим телом — электроном для молекулярных ионов может идти гораздо быстрее, чем для атомарных.

2. Впервые на основе экспериментально определенных разрядных характеристик выполнено численное моделирование наработки активных частиц в разряде и воспламенения в смесях метана с воздухом под действием высоковольтного наносекундного разряда. Сравнение результатов расчета с измерениями времени воспламенения позволило верифицировать известные механизмы плазменно — стимулированного воспламенения в условиях, когда плазма однородна, и известна динамика изменения внешнего электрического поля.

3. Впервые теоретически исследован быстрый нагрев газа в разрядной плазме в воздухе и других смесях N2:02 при аномально высоких (~103Тд) значениях приведенных электрических полей, и определены основные каналы нагрева в этих условиях.

Научная и практическая ценность. Модели, развитые в данной работе, могут быть использованы:

1. Для описания эффекта воздействия разряда в задачах плазменно — стимулированного воспламенения, в частности — для предсказания времени воспламенения углеводородов под действием неравновесной плазмы.

2. Для определения времени жизни и динамики распада плазмы молекулярных газов и их смесей в широком диапазоне давлений и температур газа, а также для моделирования динамики наработки активных частиц в разрядной плазме.

3. Для определения доли энергии разряда, быстро переходящей в тепло, в воздухе и других смесях N2:02 при наличии больших приведенных электрических полей.

Результаты данной работы могут также найти применение при оптимизации воспламенения углеводородов неравновесной плазмой, в задачах МГД — взаимодействия и управления газовыми потоками в плазменной аэродинамике.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 48 — й научной конференции МФТИ (Долгопрудный, 2005), 49 — й научной конференции МФТИ (Долгопрудный, 2006), 50-й научной конференции МФТИ (Долгопрудный, 2007), 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit (Reno, Nevada, USA, 2007), 7th International Workshopv on Magnetoplasma Aerodynamics (Moscow, Russia, 2007), 26th International Symposium on Shock Waves (Gottingen, Germany, 2007), 28th ICPIG (Prague, Czech Republic, 2007), 21st ICDERS (Poitiers, France, 2007), Workshop on Frontiers in Low Temperature Plasma Diagnostics (Beverley, UK, 2007), 2nd European Conference for AeroSpace Sciences (Universite Libre de Bruxelles, 2007), AEROSPACE THEMATIC WORKSHOP on the «Fundamentals of Aerodynamic Flow and Combustion control by Plasmas» (Villa Monastero, Varenna, Como lake, Italy, 2007), 51 — й научной конференции МФТИ (Долгопрудный, 2008), 32nd International Symposium on Combustion (Canada, 2008), XVII International Conference on Gas Discharges-and Their Applications (Cardiff, UK, 2008), 18'-' International Symposium on Plasma Chemistry (Kyoto, Japan, 2008), 46th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit (2008, Reno, Nevada, USA), 52-й научной конференции МФТИ (Долгопрудный, 2009), XXXVI Международной конференции по физике плазмы и у управляемому термоядерному синтезу (Звенигород, 2009), 19th International Symposium on Plasma Chemistry (Bochum, 2009), 8th International Workshop on Magneto — Plasma Aerodynamics (Moscow, 2009), 22nd International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems (Minsk, Belarus, 2009), 47th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit (Orlando, Florida, 2009), XXXVII Международной конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (Звенигород, 2010), XXXVIII Международной 6 конференции по фи зике плазмы и управляемому термоядерном у синтезу (Звенигород, 2011), 10th International Workshop on Magneto — Plasma Aerodynamics (Moscow, 2011).

Публикации. Список работ по теме диссертации содержит 35 публикаций, в том числе -9 статей в реферируемых научных журналах, входящих в список ВАК РФ [1—9]. Личный вклад автора в работы, вошедшие в диссертацию, является определяющим (выполнение моделирования, изучение влияния различных параметров на получаемые результаты, анализ результатов и сравнение с экспериментом).

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа изложена на 115 страницах, включая 43 рисунка, 7 таблиц и список литературы, насчитывающей 114 наименований. Во введение приводится актуальность выбранной темы, научная новизна, а также цели и краткое содержание данной работы.

ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.

1. Выполнено численное моделирование распада плазмы высоковольтного наносекундного разряда, инициированного в N2, С02 и парах Н2О при давлениях газа 1−10 Тор и комнатной температуре. Получено хорошее согласие с измерениями концентрации электронов в зависимости от времени при распаде плазмы. Показано, что наблюдаемая зависимость эффективного коэффициента рекомбинации от давления и времени связана с динамикой остывания электронов (для N2), образованием кластерных ионов в тройных столкновениях (для всех исследованных газов) и тройной электрон-ионной рекомбинацией с третьим телом — молекулой (для Н2О).

2. Моделирование распада плазмы в воздухе и кислороде при аналогичных условиях дало существенно меньшие скорости распада плазмы по сравнению с наблюдаемыми в эксперименте. Высказана гипотеза о том, что в этом случае существенную роль играет тройная рекомбинация электронов с ионами 02+ (третье тело — электрон), и что’константа скорости этого процесса на порядок величины больше аналогичной величины для атомарных ионов, а зависимость скорости рекомбинации от температуры электронов более слабая. Эти предположения, согласующиеся с модельным расчетом сорокалетней давности, позволил" получить согласие между измерениями концентрации электронов и расчетом в случае распада плазмы в воздухе и кислороде.

3. Теоретически изучен распад плазмы высоковольтного наносекундного разряда в воздухе и смесях №:02:С02 при повышенных газовых температурах (500 — 2500 К). Показано, что при наличии быстрого прилипания и отлипания электронов распад плазмы в изучаемых смесях может описываться рекомбинационным законом с независящим от времени эффективным коэффициентом рекомбинации, который значительно больше (до порядка величины и более) коэффициента диссоциативной рекомбинации. При этом, в отличие от ранее изученных случаев, эффективный коэффициент рекомбинации не зависит от скоростей прилипания и отлипания электронов. Указанный режим распада плазмы не был реализован в конкретных экспериментах из—за высокой плотности атомов О, наработанных во время высоковольтного наносекундного разряда. Учет разрушения отрицательных иоиов на атомах О позволил объяснить полученную в эксперименте динамику распада плазмы в рассматриваемых условиях.

4. Развита кинетическая схема и выполнено численное моделирование наработки активных частиц в плазме высоковольтного наносекундного разряда в стехиометрических смесях углеводородов С^Нгк+г (к = 1 — 5) с кислородом или воздухом при их разбавлении.

106 аргоном применительно к конкретным ударноволновым экспериментам, в которых измерялись электрическое поле в разряде и его ток в зависимости от времени. Показано, что среди наработанных разрядом активных частиц преобладают атомы О. Добавление N2 к газовой смеси с одной стороны приводит к уменьшению эффективности образования активных частиц в разряде из-за снижения средней энергии электронов при заданном электрическом поле, а с другой — к появлению новых эффективных каналов образования атомов О через тушение электронно-возбужденных молекул N2 на молекулах СЬ.

5. На основе результатов расчета концентрации наработанных в разряде активных частиц выполнено численное моделирование воспламенения газовых смесей с углеводородами под действием высоковольтного наносекундного разряда. Получено хорошее согласие между вычисленными и измеренными значениями времени индукции воспламенения для смеси СН}:воздух:Аг, что позволяет сделать заключение об адекватности использованного в работе кинетического механизма воспламенения метана под действием высоковольтного наносекундного разряда. Согласно этому механизму, ускорение воспламенения с помощью разрядной плазмы осуществляется благодаря наработке атомов О, а роль остальных частиц и нагрева плазмы в разряде и его близком послесвечении малы.

6. Изучен быстрый (на временах менее 1 мкс при 1 атм) нагрев в воздухе и других азот-кислородных смесях под действием наносекундного разряда при аномально высоких (до 10 Тд) приведенных электрических полях ЕМ, где N — плотность нейтральных частиц. Показано, что при высоких значениях Е/Ы становится важным нагрев через высоколежащие электронно-возбужденные состояния молекулярного азота и при электрон-ионной и ион-ионной рекомбинации. Выполнена оценка сверху доли разрядной энергии, быстро переходящей в тепло, в зависимости от Е/Ы и давления газа. Показано, что при высоких значениях Е/.N и атмосферном давлении до 50% энергии разряда может быстро переходить в тепло, что находится в согласии с результатами экспериментов.