Введение к работе
Актуальность работы. Повсеместное внедрение плазменных технологий в различные, отрасли современного производства (обработка материалов в плазменном факеле, синтез новых веществ в плазмохимических установках, использование плазмы в качестве рабочей среды в МГД- и ЭГД-генераторах, установках энергетического и технологического горения, регулирование и управление режимами высокотемпературных порошковых технологий, оптимизация характеристик плазмообразующих процессов - электрического взрыва проводников, воздействия мощного лазерного излучения на конденсированные среды и др.) стимулирует н определяет постоянный интерес к физическим исследованиям в области плазменного состояния вещества, в которой шіазма сосуществует с конденсированной фазой. При этом наиболее часто плазменная среда является системой, состоящей из двух подсистем: ионизованной газовой фазы и ансамбля макрочастиц конденсированной дисперсной фазы (КДФ), обменивающегося энергией, импульсом к электрическим зарядом с газовой подсистемой. Область термодинамических параметре» такой гетерогенной среды лимитируется кривой сосуществовать газовой и конденсированной фаз, из которой состоят конденсн-Зэойзнкые частицы. В зайисимости от температуры и давления плазма с конденсированной дисперсной фазой (ПКДФ) проходит весь спектр возможных состояний - от идеального больцмайоврсого:rtra слабо взаимодействующих частиц довільно скорреЛировгшНЫх состадний:квапт0в0{-г плазмы. Однако
область температур Т і 4009 К и концентраций (давлений) по электронной компоненте^ Н>И''.+- I02s м-1, характерная для ПКДФ в установках с высокими удельными энерговкладами (взрыв проводников, взаимодействие вещества с мощным лазерным излучением, ряд новых отраслей современной плазменной high technology), до настоящего времени изучена слабо, и здесь чувствуется настоятепьтя необходимость п разработке теории электрофизических свойств ПКДФ. Ввиду сложности теоретического описания баланса объемных и поверхностных процессов в гетерогенной среде с дальнодей-
.'4-ствующими кудоночскими силами на фоне существенных вкладов потенциальных взаимодействий, до сих пор не разработаны и отсутствуют адекватные подходы к моделированию ионизационного равновесия в плотной высокотемпературной ПКДФ. Кроме того, даке при низких температурах и давлениях вблизи мелких конденсированных частиц (КЧ), несущих макроскопические заряды, локальное максвелловское поле становится большим что приводит к возникновению локальных кулоновских неоднородности" вблизи поверхности КЧ, которые непосредственно сказываются на иониза цпоииых характеристиках КЧ (работе выхода) и, соответственно, должнь быть учтены. Это выдвигает на передний план важный аспект в теорні свойств ПКДФ, полностью игнорирующийся в известных модельных подха дах проблему учета взаимообусловленного влияния распределений внут ренннх электронов макрочастиц по энергиям на электрофизические харак теристикн ПКДФ в целом.
Перечисленные моменты определяют актуальность исследований термо
ионизации плазмы с конденсированной дисперсной фазой с учетом кванто
вых состояний внутренних электронов отдельных КЧ, проведенных в дис
сергациоиноп работе и ориентированных на построение общей адекватної
модели, описывающей свойства ПКДФ в области высоких температур і
давлений. . . '
К главным полям работы относятся: I) построение физической моделі термоионнзашш ПКДФ, учитывающей распределения внутренних электро нов макрочастиц по энергиям; 2) разработку принципов моделирована электрофизических характеристик гетерогенной плазмы с КДФ в облает: высоким температур и давлений; 3) определение структуры зарядовых неол нородностен ПКДФ и их вклад в свободную энергию плазмы; 4) проведен»! компьютерною .эксперимента и сравнительного анализа теоретических мс дельных подходов к описанию свойств плазмы с частицами КДФ; 5) совег. mciivifumiuuie методики анализа и расчета границ применимости разв» ваемого подхода, ориентированной на компьютерный эксперимент.
.3-
Научиая новизна
Впервые предложена физическая модель тсрмоионизацпи ПКДФ явно їитьша'юіцая влияние параметров распределения внутренних электронов акрочастиц по энергиям на ионизационные характеристики ПКДФ в це-им. В рамках приближения Томаса-Ферми для электронов проводимости Ч найдено распределение локального электрохимического потенциала в Зъеме частиц КДФ, контактирующих с плазмой.
їпервме получено аналитическое уравнение, связывающее распределение шосогласованного электростатического потенциала в объеме КЧ с ее )бственпым1{ параметрами (энергией Ферми невозмущенного вещее і ва Ч, ее размером гР, диэлектрической проницяемосшо-г,, и параметрами кетменной среды в целом (температурой - Т, средними концентрациями їстиц КДФ - Пр и электронов- пе в объеме).
Is ootoss анализа поведения функционала свободной энергии Гельм->льцз ШСДФ з пространстве определяющих параметров показано, что икроструктура кулоновских неоднородностей в плазме (областей неличного экранирования вблизи. макрочастиц) однозначно дефннирована рмодннамическигш параметрами плазмы - равновесными температурой давлением. Обнаружена область термононизационного равновесия КДФ, при более высокой, по сравнению с равновесной, ионизацией газо->й фазы.
'азработаны алгоритм и эффективная программа его численной реалнзэ-ш применительно к решению нелинейного уравнения Пуассона-эльцмаиа в неограниченной области, асимптотически приближающегося заданной точностью к точному решению дифференциального уравнения та Эмдена с однородными граничными условиями Дирихле-Неймана на оконечности.
Практнчснсан пекностг,; >5щие формулі: для распределения внутреннего самосогласованного п-о-циала в объеме металлических частиц КДФ, контактирующих с ПКДФ,
подученные в работе, иогуг с минимальней модификацией прик«нтьгя для расчета микропалей в контактном слое полупроводниковых частиц (например, высокотештфатурных окислов). Подход, развитии здесь на основе приближения Тоызса-Ферми для электронов проводимости металлической КДФ, непосредственно применим к макрочастицам из других материалов, находящимся в контакте с плазменной средой.'
Положения модели "Ti'-ND" разработанной для неидеальной ПКДФ в плане сопряжения внешней и внутренней задач для отдельной КЧ, язляюти конструктивной основой для физических моделей "квантовой плазмы" с макрочастицами.
Пакеты программ плазменного расчета, разработанные в диссертации, позволяют вести компьютерный эксперимент в широкой области параметре: состояния ПКДФ, - могут непосредственно применяться для проведгнш конкретных расчете*! v. < астрофизических параметров плотноії гетерогенної плазмы с КДФ,
Научные полгкстшіі: и результаты, выносимые ;?а з;ун:ту;
г.гадельный подход « qivac;..w,\j тершічасгой понизацшї газа п частиц і ПКДО ;;г. осп си--^ учи':". і'о-„-го;іі:ин шіуїрлшге; элегяронои їчЧ'в рамка: приближения Тся.5С.са-Ф^^:..;::
аналитические формулы- расчет для распределения самосогласокаїшогв потенциала и локального мг,ксі;слловского электрического полз внутри 1 ьне ьпдеденной макрочастица, контактирующей с плазкоіі;
результаты компьютерного ^лдедиразанил и сравнительного анализ: численных расчетов электрофизических парамегрои ПЇСДФ г. предлагав мой моделі! (учитывающей состояния внутренних электронов КЧ) П МОДЇ лях с линейным характером экранирования: макрозарядов, в которых 1С имеют постоянную работу выхода .электронов с поверхности;-
положений и принципы построения физической подедг; зхранировк макрочастиц ь плотной высокотемпературной ПКДФ, ориентированно ї.я получение резульпггеа гл?.т<>д'зм мпїит'.ппацни свободной знергн
Гельмгольца;
Апробация результатов.
Результати! работы докладывались на "Шестнадцатой конференции стран СНГ яо вопросам испарение, горения к газовой дштмики дисперсных систем" {г. Одесса, 1993 г.), IV наушой школе "Фнкяка импульсных воздействий га конденсированные среды" (ИИПТ НАМ Украины, г. Николаев, *1S93 г.), были представлень! на Международной Конференции по Статистн-чесхой ФюнкеЗТАТРН5-19(г. Кстшен, Китай, 1995 г»), Ежегодной Сессий АмерюсакосоЙ Ассоциации Аэрозольные Исследований (г, Пнгтсбург, Пенсильвания, США, 1995), Интернациональной Конференции по Фшнке Сильно Связанной Плазмы (г. Бняц, Германия, 1995 г.), неоднократно докладывались н обсугздались «а. научных семинарах кафедр теплофизики и теоретической фішдаї Одесского государственного университета,
Публикация; Основные результаты диссертации изложены в семи печатных работах.
Структура диссертации. Работа состоит из введения, 4-х глав, выводов* и приложений. Солеряппг(55.стгкішщ основного текста, 24 рисунков, 3 таблиц, 14'? наименований цитированных литературных источников, 8 приложении па 16 страницах.