Введение к работе
Актуальность проблемы
Работа посвящена теоретическому исследованию процессов в плазме высоковольтного наносекундного импульсного разряда, который развивается в объеме в форме волны ионизации или вдоль диэлектрической поверхности (поверхностный барьерный разряд). Указанные типы разряда поддерживаются при высоких значениях приведенного электрического поля E/N (N - концентрация нейтральных частиц), что обеспечивает значительный вклад энергии разряда в ионизацию молекул и возбуждение их электронных уровней. Характерные концентрации электронов в таких разрядах лежат в диапазоне 10 - 10 см" . Кроме этого, для волн ионизации характерно наличие области параметров, в которой развитие разряда происходит однородно, что позволяет значительно упростить моделирование разрядных процессов за счет перехода к нульмерной постановке задачи.
Плазма с указанными параметрами встречается в традиционных
приложениях низкотемпературной плазмы: газовых лазерах, источниках
света и плазмохимии. В последнее десятилетие 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 концентрации электронов в послесвечении высоковольтного наносекундного разряда позволяет получать новую информацию о константах скорости гибели электронов для процессов, определяющих время жизни плазмы при достаточно высоких концентрациях 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 концентрации 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 плазменно-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 E/N (300 - 1000 Тд, где 1 Тд = 10" В
СМ ).
Научная новизна работы
1. Выполнено моделирование распада плазмы высоковольтного 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.
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.
Впервые теоретически исследован быстрый нагрев газа в разрядной
плазме в воздухе и других смесях N2:02 при аномально высоких (~10 Тд) значениях приведенных электрических полей и определены основные каналы нагрева в этих условиях.
Основные положения, выносимые на защиту
Результаты моделирования распада плазмы высоковольтного наносекундного разряда в молекулярных газах и их смесях для низких давлений и комнатной температуры, а также для давлений порядка атмосферного и температур газа 600 - 2000 К. Влияния на скорость распада термализации электронов, кластеризации положительных ионов и, тройной электрон-ионной рекомбинации с третьим телом -электроном. Результаты сравнения моделирования с измерениями плотности электронов при распаде плазмы.
Кинетическая модель и результаты моделирования наработки активных частиц в смесях углеводородов с кислородом или воздухом, разбавленных аргоном, под действием высоковольтного наносекундного
разряда. Результаты моделирования стимулированного плазмой воспламенения смесей метана с воздухом для ударно-волновых экспериментов и сравнение вычисленного времени воспламенения с измеренным. 3. Кинетическая модель и результаты моделирования быстрого нагрева в разрядной плазме в воздухе и других смесях N2:02 при аномально
высоких (~10 Тд) приведенных электрических ПОЛЯХ.
Практическая и научная ценность работы
Модели, развитые в данной работе могут быть использованы:
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;
для описания эффекта воздействия разряда в задачах плазменно-стимулированного воспламенения, в частности - для предсказания времени воспламенения углеводородов под действием неравновесной плазмы;
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 и в задачах МГД-взаимодействия и управления газовыми потоками в плазменной аэродинамики.
Апробация работы
Список работ по теме диссертации содержит 35 публикаций, в том числе - 9 статей в реферируемых научных журналах, входящих в список ВАК РФ. Личный вклад автора в работы, вошедших в диссертацию, является
определяющим (выполнение численного моделирования, изучение влияния различных параметров на получаемые результаты, анализ результатов и сравнение с экспериментом).
Основные результаты работы докладывались на конференциях: 48 - 52 Научные конференция МФТИ (Долгопрудный, 2005-2009), 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit (Reno, Nevada, USA, 2007), 7th International Workshop 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 Braxelles, 2007), AEROSPACE THEMATIC WORKSHOP on the "Fundamentals of Aerodynamic Flow and Combustion control by Plasmas" (Villa Monastero, Varenna, Como lake, Italy, 2007), 32nd International Symposium on Combustion (Canada, 2008), XVII International Conference on Gas Discharges and Their Applications (Cardiff, UK, 2008), ISPC18 (Kyoto, Japan, 2008), 46th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit (2008, Reno, Nevada, USA), XXXVI - XXXVIII Международная конференция по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (Звенигород, 2009 - 2011), 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), 10th International Workshop on Magneto-Plasma Aerodynamics (Moscow, 2011).
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, насчитывающий 114 наименований.
