На правах рукописи

УДК 537.52

Киндышева Светлана Викторовна

МОДЕЛИРОВАНИЕ КИНЕТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПЛАЗМЕ

ВЫСОКОВОЛЬТНОГО НАНОСЕКУНДНОГО ИМПУЛЬСНОГО

РАЗРЯДА В МОЛЕКУЛЯРНЫХ ГАЗАХ

01.04.08 – физика плазмы

Автореферат на соискание ученой степени кандидата физико–математических наук

Долгопрудный – 2011

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский физико–технический институт (государственный университет)»

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор МФТИ Александров Николай Леонидович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор, нач. отдела ТРИНИТИ Напартович Анатолий Петрович доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник ОИВТ РАН Найдис Георгий Вениаминович

Ведущая организация:

Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН

Защита состоится 30 ноября 2011 года вчасов на заседании диссертационного совета Д 212.156.06 при Московском физико–техническом институте по адресу: 117393, г. Москва, ул. Профсоюзная, 84/32, корпус B–2.

Отзывы направлялись по адресу: 141700, Московская обл., г. Долгопрудный, Институтский пер., д. 9, МФТИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского физико– технического института.

Автореферат разослан октября 2011 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.156. кандидат технических наук Чубинский Н.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 1012 – 1015 см-3. 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 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:O2 при высоких приведенных электрических полях E/N (300 – 1000 Тд, где 1 Тд = 10-17 В Научная новизна работы 1. Выполнено моделирование распада плазмы высоковольтного наносекундного разряда в молекулярных газах при высоких (~1012 см-3) 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:O2 при аномально высоких (~ Тд) значениях приведенных электрических полей и определены основные каналы нагрева в этих условиях.

Основные положения, выносимые на защиту 1. 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.

2. Кинетическая модель и результаты моделирования наработки активных 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:O2 при аномально высоких (~103 Тд) приведенных электрических полях.

Практическая и научная ценность работы Модели, развитые в данной работе могут быть использованы:

1. 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;

2. для описания эффекта воздействия разряда в задачах плазменно– стимулированного воспламенения, в частности – для предсказания времени воспламенения углеводородов под действием неравновесной 3. для определения доли энергии разряда, быстро переходящей в тепло, в воздухе и других смесях N2:O2 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 – 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 (Gttingen, 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 (Universit 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), 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введение приводится актуальность выбранной темы, научная новизна, а также цели и краткое содержание данной работы.

В первой главе дан краткий обзор литературы по вопросам, которые рассматриваются в данной работе. В частности обсуждаются работы по моделированию распада неравновесной плазмы в молекулярных газах, дается краткий обзор работ по стимулированному плазмой воспламенению горючих газов, и рассматриваются работы по быстрому нагреву воздуха и других смесей молекулярных газов в плазме при высоких приведенных электрических полях.

Вторая глава посвящена изучению распада плазмы, созданной высоковольтным наносекундным импульсным разрядом в молекулярных газах. Этот вопрос исследовался экспериментально при измерении плотности электронов СВЧ интерферометром в послесвечении разряда как при комнатной температуре [1], так и в условиях, когда начальная температура газа была повышенной и лежала в диапазоне 600 – 2400 К при нагреве газа за фронтом ударной волны [2]. Цель данной работы состоит в моделировании распада плазмы для условий этих экспериментов.

В первой части данной главы исследуется распад плазмы в пяти различных газах: чистых N2, O2, CO2, воздухе и парах воды при комнатной температуре газа и давлениях 1 – 10 Тор.

В простейшем случае, когда гибель электронов определяется парной электрон–ионной рекомбинацией, имеется один сорт положительных ионов, и скорость рекомбинации не зависит от времени, зависимость концентрации электронов от времени описывается уравнением где ne0 = ne(t=0) и – коэффициент электрон–ионной рекомбинации. В более сложном случае это уравнение уже не справедливо, но с его помощью можно определить эффективный коэффициент рекомбинации ef, = 1/(ne0), где – время, за которое начальная плотность электронов уменьшается в раза. Величина ef в реальной ситуации может зависеть не только от температуры электронов Te, но и от давления газа и начальной концентрации электронов.

неравновесными концентрациями заряженных и возбужденных частиц, распад плазмы после выключения электрического поля – сложный кинетический процесс. Однако при распаде плазмы высоковольтного наносекундного разряда при достаточно высокой начальной плотности электронов и небольшом энерговкладе с хорошей точностью можно считать, что во время распада плазмы низкоэнергичная часть распределения электронов является максвелловской и основную роль играет электрон ионная рекомбинация и, быть может, релаксация температуры электронов Te.

рассматриваемых условиях может быть сравнима со скоростью распада плазмы только в N2, О2 и воздухе. Поэтому в этих газах необходимо одновременно с решением уравнений баланса частиц моделировать динамику остывания электронов, которая в послесвечении разряда описывается выражением:

где T – температура газа, – частота релаксации энергии электронов при столкновении с нейтральными частицами, ni – плотность ионов и k2 и k3 – константы скорости парной и тройной (с третьим телом – электроном) электрон–ионной рекомбинации.

экспериментальными данными в N2, СО2 и парах воды показывает, что ef зависит от времени во всех исследуемых газах: за счёт влияния термализации энергии электронов (при низких давлениях в N2), а также за счет образования комплексных положительных ионов в трехтельных ионно–молекулярных процессах (в парах воды, N2 и CO2). Константа скорости рекомбинации с комплексными ионами на порядок выше, чем с простыми молекулярными ионами. В отличие от N2 и CO2, в парах воды ef значительно возрастает из–за Сравнение результатов моделирования динамики концентрации электронов с данными эксперимента [1] для N2 и CO2 приведены на рис. 1.

Концентрация, см Рис. 1. Зависимость концентрации электронов от времени: а) в N2 для p=3 Тор и б) в CO для p=3.5 Тор. Сплошные кривые соответствуют измерениям, штриховые – вычислениям вычислениям с учетом термализации электронов за конечное время.

кинетической схемы, дополненной реакциями прилипания, даёт значительно меньший коэффициент ef,, отличие которого от экспериментального значения достигает трех раз. Данное расхождение не может быть объяснено влиянием радиальной неоднородности плазмы: дополнительные вычисления с учётом экспериментально полученного радиального профиля концентрации электронов по сечению трубки показали, что этим эффектом можно пренебречь. При моделировании все константы скорости брались из экспериментов, за исключением константы скорости тройной рекомбинации с третьим телом – электроном. Константа скорости этого процесса экспериментально и теоретически исследовалась только для атомарных ионов. Именно эта константа обычно и приводится в обзорах по скоростям рекомбинации и используется при моделировании рекомбинации и атомарных, и молекулярных ионов. В то же время имеются расчеты [3] для модельной системы, где показано, что константа тройной электрон–ионной рекомбинации k3 с третьим телом электроном, k3 = aTe-n, может существенно (на порядок величины и более) увеличиваться при переходе от атомарных ионов к молекулярным. Показатель степени, равный n = 4.5 в случае атомарных ионов, может также уменьшиться до n 2 – 2.5 в случае молекулярных ионов. Эти различия между рекомбинацией атомарных и молекулярных ионов связаны с возможностью образования при рекомбинации молекулярных ионов сильновозбужденной нейтральной молекулы, способной разваливаться за счет предиссоциации [3]. Учет этого эффекта позволил достичь согласия между расчетом и измерениями и в случае распада плазмы в воздухе и О2. На рис. 2 показано сравнение экспериментальной и вычисленной динамики электронов во времени в этих газах. Для обнаружения указанного эффекта важно, что в рассматриваемых условиях во время распада плазмы доминирующим ионом является простой ион О2+, скорость диссоциативной рекомбинации для которого существенно меньше аналогичной величины для комплексных ионов. При распаде же плазмы в N2, CO2 и парах воды, как показывают дополнительные расчеты, ионы являются комплексными, и роль тройной рекомбинации относительно мала.

Во второй половине главы исследуется распад плазмы, созданной высоковольтным наносекундным разрядом при повышенных температурах (600 – 2400 К) в воздухе и смесях N2:O2:CO2 в диапазоне начальных давлений 0.05 – 1.2 атм.

Концентрация, см Рис. 2. Зависимость концентрации электронов от времени в послесвечении разряда а) в кислороде при давлении 8 Тор и б) в воздухе при давлении 2.5 Тор. Кривая 1 – измерения, кривая 2 – расчет с коэффициентом тройной рекомбинации k3 = aTe-n из [4], 3 – расчет с увеличенным значением a в 10 раз, 4 – расчет с увеличенным значением a в 10 раз и n = 2.

Сравнение эффективного коэффициента рекомбинации, вычисленного для воздуха и смесей, содержащих углекислый газ, с экспериментальными измерениями [2] показывает, что наблюдается хорошее согласие расчетов с экспериментальными данными при T>1300 K, но при более низких температурах вычисленные коэффициенты рекомбинации значительно превышают экспериментальные значения. Расчёты для воздуха приведены на рис. 3.

В данных условиях главными каналами гибели электронов являются диссоциативная рекомбинация с O2+ и тройное прилипание электронов к молекулам O2. Обнаруженное различие, как показывают дополнительные исследования, связаны с наработкой атомов О во время высоковольтного компенсируются отлипанием электронов от ионов O2- в столкновениях с атомами O, и гибель электронов, в соответствии с экспериментом, определяется только рекомбинацией с ионом О2+. В отсутствии атомов О распад плазмы может носить рекомбинационный характер с эффективным коэффициентом рекомбинации, не зависящим от скоростей прилипания и отлипания электронов.

Рис. 3. Зависимость эффективного коэффициента электрон–ионной рекомбинации (символы), измеренного в воздухе, от температуры газа. Сплошная кривая соответствует коэффициенту диссоциативной рекомбинации для иона O2+, измеренному в работе [5], а штриховые – вычислениям при различных давлениях газа в отсутствии атомов O.) В третьей главе (в первой части) исследуется наработка активных частиц под действием высоковольтного наносекундного импульсного разряда в стехиометрических смесях насыщенных углеводородов (от метана до пентана) с молекулярным кислородом, на 90% разбавленных аргоном, при давлении порядка атмосферного и температурах в диапазоне 800 – 3000 K.

Под активными частицами здесь понимаются электронно–возбужденные молекулы O2 и атомы Ar, атомы O, H, радикалы углеводородных молекул, а также электроны и положительные ионы.

Моделирование наработки активных частиц осуществляется на основе численного решения уравнений баланса в двух стадиях: на фазе разряда в сильных электрических полях, где электронные константы скорости зависят от E/N, и на фазе послесвечения разряда, где поля уже нет, но идут процессы конверсии, тушения и электрон–ионной рекомбинации. При этом значения электрических полей во время разряда берутся из экспериментальных данных, и корректность такого подхода проверяется при сравнении расчетной динамики изменения удельного энерговклада в разряд с результатами измерений. Показано, что основным сортом активных частиц являются атомы O. Результаты этих расчетов использовались И.В.

Косаревым в качестве входных параметров при моделировании процессов углеводородов, и было получено хорошее согласие между вычисленными и измеренными временами воспламенения во всем исследованном диапазоне параметров [6 – 8].

Во второй части исследуется влияние добавки азота на наработку активных частиц и воспламенение под действием высоковольтного наносекундного разряда смеси CH4:O2:N2:Ar = 1:4:15:80 для диапазона давлений 0.4 – 2.0 атм и температур 1200 – 1800 К. Вычисления показывают, что добавление N2 с одной стороны приводит к заметному уменьшению средней энергии электронов из–за эффективного возбуждения колебательных уровней азота, а с другой – за счет тушения электронно–возбужденных состояний N2 на O2 появляется эффективный канал наработки атомов O, которые и в этом случае остаются доминирующим сортом активных частиц.

наработанных в разряде, моделируется изменение во времени концентраций нейтральных частиц и газовой температуры на фазе воспламенения на основе численного решения уравнений баланса этих частиц и уравнения, описывающего изменение температуры за счет химических реакций. Как видно из рис. 4, полученные расчетные времена индукции воспламенения хорошо согласуются с измерениями [9] при низких (~0.5 атм) давлениях газа.

Различие же между расчетными и измеренными временами индукции воспламенения при высоких (~2 атм) давлениях может быть обусловлено влиянием неоднородности развития разряда и воспламенения, которые были зарегистрированы в эксперименте [9].

Рис. 4. Время индукции самовоспламенения (сплошные кружки – эксперимент, полые – расчет) и воспламенения после разряда (треугольники и звездочки – эксперимент, вертикальные отрезки – расчет) в смеси CH4:O2:N2:Ar = 1:4:15:80 в зависимости от обратной газовой температуры при различных давлениях газа. Сплошная линия – аппроксимация измеренного времени индукции самовоспламенения, штриховая кривая – расчет времени индукции самовоспламенения при давлении 0.5 атм. Звездочки соответствуют эксперименту с одновременным измерением временных зависимостей разрядного тока и электрического поля. Для этих условий и проводились расчеты.

В четвертой главе исследуется быстрый нагрев воздуха и других смесей N2:O2 при комнатной температуре в присутствии высоких приведенных электрических полей. За основу взята модель [10] быстрого нагрева в плазме воздуха при умеренных (~100 Тд) приведенных электрических полях E/N и Экспериментальное исследование эффективности быстрого нагрева газов в плазме наносекундных разрядов в воздухе можно найти в работе [11] для Торр и в [12, 13] для 1 атм. Их анализ был выполнен в работе [14], где было показано, что доля энергии, быстро передаваемая от электронов в тепло, может составлять 36 – 40 % при E/N 600 Тд в случае малых давлений (p = 20 Торр) и 56 – 66 % при E/N 900 Тд в случае больших давлений (p = 1 атм).

Развитые ранее кинетические модели относились к меньшим значениям E/N и не могли объяснить эти данные.

Доля энергии, % Рис. 5. Изменение во времени доли электронной энергии, быстро передаваемой в тепло в сухом воздухе а) при 20 Торр и E/N = 600 Тд и б) при 1 атм и E/N = 103 Тд. Расчеты выполнены при различных значениях nef. Вертикальные отрезки соответствуют экспериментальным данным [14].

На рис. 5 показана расчетная динамика быстрого нагрева в воздухе для показывают, что электронная энергия, быстро переходящая в тепло, растет от 10% при E/N = 102 Тд до 30 – 55% при E/N = 103 Тд. Результат существенно зависит от давления газа и слабо зависит от концентрации электронов nef в момент окончания разряда. Этот рост с давлением обусловлен влиянием тройного прилипания электронов к О2 и тройной ион–ионной рекомбинации.

Известно, что при умеренных значениях E/N эффективность быстрого нагрева в смесях N2:O2 снижается с уменьшением доли О2 [10]. В настоящей работе рассмотрена эффективность быстрого нагрева в различных смесях N2:O2 при высоких значениях E/N. Здесь доля энергии, идущая в быстрый нагрев, также меньше в смесях с меньшим содержанием кислорода.

Сравнение результатов настоящего расчёта с расчетом [15] и с расчетом [10] даёт хорошее согласие при E/N = 100 – 200 Тд. При более высоких значениях E/N результаты данной работы лежат заметно выше, чем результаты расчетов, в которых учитываются только каналы быстрого нагрева, доминирующие при умеренных приведенных электрических полях.

Это различие связано с учетом каналов нагрева через сильновозбужденные состояния N2 и каналов, связанных с заряженными частицами.

Расчёты для более высоких полей качественно согласуются с результатами анализа наблюдений поверхностного наносекундного высоковольтного импульсного разряда в воздухе при 100 Торр [16], где было получено, что в быстрый нагрев воздуха уходит 40±10% вложенной в разряд энергии при E/N в диапазоне 100 – 500 Тд.

После выполнения данной работы и опубликования ее результатов появилась работа [17], в которой также теоретически изучается быстрый нагрев в воздухе и других смесях N2:O2 при высоких приведенных электрических полях, но при этом используется несколько другая кинетическая схема для описания быстрого перехода энергии свободных электронов в тепло. Одним из главных отличий этой модели является предположение о том, что при диссоциативной рекомбинации электронов с ионами О4+ и при тройной ион–ионной рекомбинации кислородных ионов одна из молекул О2 диссоциирует. Следовательно, в этих процессах энергия, переходящая быстро в тепло, должна быть меньше той, что предполагается в данной работе. В расчетах [17] доля этой энергии не превышает 40 %, что несколько меньше результатов данной работы.

В заключении работы сформулированы основные результаты и выводы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Выполнено численное моделирование распада плазмы высоковольтного наносекундного разряда, инициированного в N2, CO2 и парах H2O при давлениях газа 1 – 10 Торр 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 H2O).

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 О2+ (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, позволили 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 N2:O2:CO2 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 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 ионов 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 СkН2k+2 (k = 1 – 5) с кислородом или воздухом при их разбавлении аргоном применительно к конкретным ударноволновым экспериментам, в которых измерялись электрическое поле в разряде и его ток в зависимости от времени.

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 возбужденных молекул N2 на молекулах О2.

5. На основе результатов расчета концентрации наработанных в разряде активных частиц выполнено численное моделирование воспламенения газовых смесей с углеводородами под действием высоковольтного воспламенения для смеси СН4:воздух: Ar, что позволяет сделать заключение об адекватности использованного в работе кинетического механизма воспламенения метана под действием высоковольтного 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 103 Тд) приведенных электрических полях E/N, где N – плотность нейтральных частиц. Показано, что при 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 E/N и давления газа. Показано, что при высоких значениях E/N и атмосферном давлении до 50% энергии разряда может быстро переходить в тепло, что находится в согласии с результатами экспериментов.

Список литературы [1] Aleksandrov N.L., Kindysheva S.V., Kirpichnikov A.A., Kosarev I.N., Starikovskaia S.M., Starikovskii A.Yu. Plasma decay in N2, CO2 and H2O excited by high–voltage nanosecond discharge // J. Phys. D: Appl. Phys. 2007.

Vol. 40. No. 15. P. 4493 – 4502.

[2] Aleksandrov N.L., Kindysheva S.V., Kosarev I.N., Starikovskii A.Yu.

Plasma decay in air and N2:O2:CO2 mixtures at elevated gas temperatures // J.

Phys. D: Appl. Phys. 2008. Vol. 41. No. 21. 215207.

[3] Collins C.B. Collisional – dissociative recombination of electrons with molecular ions // Phys. Rev. 1965. Vol. 140. P. A1850 – A1857.

[4] Kossyi I.A., Kostinsky A.Yu., Matveev A.A., Silakov V.P. Kinetic scheme of the non–equilibrium discharge in nitrogen–oxygen mixtures // Plasma Sourse Sci. Technol. 1992. Vol. 1. No. 3. P. 207 – 220.

[5] Cunningham A.J., Hobson R.M. Dissociative recombination at elevated temperatures III. O2+ dominated afterglows // J. Phys. B: Atom. Molec. Phys.

1972. Vol. 5. No. 12. P. 2320 – 2327.

[6] Kosarev I.N., Aleksandrov N.L., Kindysheva S.V., Starikovskaia S.M., Starikovskii A.Yu. Kinetic mechanism of plasma–assisted ignition of hydrocarbons // J. Phys.D: Appl. Phys. 2008. Vol. 41. No. 3. 032002.

[7] Kosarev I.N., Aleksandrov N.L., Kindysheva S.V., Starikovskaia S.M., Starikovskii A.Yu. Kinetics of ignition of saturated hydrocarbons by nonequilibrium plasma: C2H6 – to C5H12 – containing mixtures // Combustion and Flame. 2009. Vol. 156. No. 1. P. 221 – 233.

[8] Косарев И.Н. Кинетика неравновесного воспламенения газовых смесей под воздействием лазерного флэш–фотолиза и наносекундного разряда :

диссертация на соискание ученой степени канд. физ.–мат. наук. / Московский физико–технический институт. Москва, 2008. 154 с.

[9] Starikovskaia S.M., Kukaev E.N., Kuksin A.Yu., Nudnova M.M., Starikovskii A.Yu. Analysis of the spatial uniformity of the combustion of a gaseous mixture initiated by a nanosecond discharge // Combust. Flame.

2004. Vol. 139. No. 3. P. 177 – 187.

[10] Попов Н.А. Исследование механизма быстрого нагрева аота и воздуха в газовых разрядах // Физика плазмы. 2001. Т. 27. Вып. 10. С. 940 – 949.

[11] Anokhin E.M., Starikovskaia S.M., Starikovskii A.Yu. Energy Transfer in Hypersonic Plasma Flow and Flow Structure Control by Low Temperature Nonequilibrium Plasma // 42nd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit (Reno, NV, 5 – 8 January 2004) paper AIAA –2004 – 674.

[12] Roupassov D.V., Nikipelov A.A., Nudnova M.M., Starikovskii A.Yu. AIAA J. 2009. Vol. 47. P. 168.

[13] Starikovskii A.Yu., Nikipelov A.A., Nudnova M.M., Roupassov D.V. SDBD plasma actuator with nanosecond pulse-periodic discharge // Plasma Sources Sci. Technol. 2009. Vol. 18. No. 3. 034015.

[14] Aleksandrov N.L., Kindysheva S.V., Nudnova M.M., Starikovskiy A.Yu.

Mechanism of ultra-fast heating in a non-equilibrium weakly ionized air discharge plasma in high electric fields // J. Phys. D: Appl. Phys. 2010. Vol.

43. No. 25. 255201.

[15] Flitti A., Pancheshnyi S. Gas heating in fast pulsed discharges in N2-O mixtures // Eur. Phys. J. Appl. Phys. 2009. Vol. 45. 21001.

[16] Знаменская И.А., Латфулин Д.Ф., Лутский А.Е., Мурсенкова И.В., распределенного поверхностного скользящего разряда // ЖТФ. 2007. Т.

[17] Popov N.A. Fast gas heating in a nitrogen – oxygen discharge plasma: 1.

Kinenic mechanism // J. Phys. D: Appl. Phys. 2011. Vol. 44. 285201.

Список основных публикаций по теме диссертации 1. Aleksandrov N.L., Kindysheva S.V., Kirpichnikov A.A., Kosarev I.N., Starikovskaia S.M., Starikovskii A.Yu. Plasma decay in N2, CO2 and H2O excited by high–voltage nanosecond discharge // J. Phys. D: Appl. Phys.

2007. Vol. 40. No. 15. P. 4493 – 4502.

2. Aleksandrov N.L., Kindysheva S.V., Kosarev I.N., Starikovskii A.Yu.

Plasma decay in air and N2:O2:CO2 mixtures at elevated gas temperatures // J.

Phys. D: Appl. Phys. 2008. Vol. 41. No. 21. 215207.

3. Kosarev I.N., Aleksandrov N.L., Kindysheva S.V., Starikovskaia S.M., Starikovskii A.Yu. Kinetic mechanism of plasma–assisted ignition of hydrocarbons // J. Phys.D: Appl. Phys. 2008. Vol. 41. No. 3. 032002.

4. Kosarev I.N., Aleksandrov N.L., Kindysheva S.V., Starikovskaia S.M., Starikovskii A.Yu. Kinetics of ignition of saturated hydrocarbons by nonequilibrium plasma: CH4–containing mixtures // Combustion and Flame.

2008. Vol. 154. No. 3. P. 569 – 586.

5. Kosarev I.N., Aleksandrov N.L., Kindysheva S.V., Starikovskaia S.M., Starikovskii A.Yu. Kinetics of ignition of saturated hydrocarbons by nonequilibrium plasma: C2H6 – to C5H12 – containing mixtures // Combustion and Flame. 2009. Vol. 156. No. 1. P. 221 – 233.

6. Александров Н.Л., Киндышева С.В., Кукаев Е.Н., Стариковская С.М., Стариковский А.Ю. Моделирование динамики воспламенения метано– воздушной смеси высоковольтным наносекундным разрядом // Физика плазмы. 2009. Т. 35. Вып. 10. С. 941 – 956.

7. Стариковская С.М., Александров Н.Л., Косарев И.Н., Киндышева С.В., Стариковский А.Ю. Воспламенение с помощью низкотемпературной плазмы: кинетический механизм и экспериментальная проверка // Химия высоких энергий. 2009. Т. 43. Вып. 3. С. 259 – 265.

8. Aleksandrov N.L., Kindysheva S.V., Kosarev I.N., Strarikovskaia S.M., Starikovskii A.Yu. Mechanism of ignition by non–equilibrium plasma // Proceedings of the Combustion Institute. 2009. Vol. 32. P. 205 – 212.

9. Aleksandrov N.L., Kindysheva S.V., Nudnova M.M., Starikovskiy A.Yu.

Mechanism of ultra–fast heating in a nonequilibrium weakly–ionized air discharge plasma on high electric fields // J. Phys. D: Appl. Phys. 2010. Vol.

43. 255201.

Также содержание диссертации опубликовано в тезисах и докладах на 26–ти отечественных и международных научных конференциях.

МОДЕЛИРОВАНИЕ КИНЕТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПЛАЗМЕ

ВЫСОКОВОЛЬТНОГО НАНОСЕКУНДНОГО ИМПУЛЬСНОГО РАЗРЯДА

В МОЛЕКУЛЯРНЫХ ГАЗАХ

Подписано в печать 18.10.2011. Формат 6084 усл. печ. л. 1. Федеральное бюджетное образовательное учреждение Высшего профессионального образования «Московский физико-технический Отдел оперативной полиграфии «Физтех-полиграф»

141700, Московская обл, г. Долгопрудный, Институтский переулок 9.