WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

КУЛИ–ЗАДЕ Марина Евгеньевна МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ ВОЗБУЖДЁННЫХ СОСТОЯНИЙ ИНЕРТНЫХ ГАЗОВ В ОПТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКЕ ПЛАЗМЕННЫХ ПОТОКОВ Специальность: 01.02.05 – механика жидкости, газа и плазмы

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико–математических наук

Москва, 2009 2

Работа выполнена в Московском авиационном институте (государственном техническом университете).

Научный консультант: Доктор технических наук, профессор Е.П. Скороход

Официальные оппоненты: доктор физико–математическим наук, профессор С.А. Лосев, НИИ механики МГУ им.М.В.Ломоносова;

кандидат физико–математическим наук, Р.В. Широков, ИЗМИРАН, г. Троицк

Ведущая организация: НИИ энергетического машиностроения МГТУ им. Н.Э. Баумана

Защита диссертации состоится « 26 » июня 2009 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д212.125.14 при Московском авиационном институте (государственном техническом университете) по адресу:

125993, Москва, Волоколамское ш., д. 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационного института (государственного технического университета).

Автореферат разослан « 21 » мая 2009 г.

Учёный секретарь диссертационного совета к.ф.– м.н., доцент В.Ю. Гидаспов 3

Общая характеристика работы

Развитие плазмо- и нано- технологий, создание плазменных лазеров, конструирование интенсивных источников света, разработки мощных энергетических и двигательных технологий предопределили становление компьютерной физики как самостоятельного направления. Важно не только сформулировать теоретическую модель, разработать алгоритм, но и провести компьютерное тестирование, выяснив физическую сущность практических задач. Моделирование и машинный эксперимент стали необходимыми составляющими научных исследований.

Актуальность темы. Вопрос о состоянии плазмы, - о её компонентном составе имеет принципиальное значение как с точки зрения фундаментальных основ теории плазмы (низкотемпературной плазмы, спектроскопии, диагностики плазмы, радиационной плазмодинамики и др.), так и с точки зрения многочисленных практических приложений.

Целью работы является моделирование компонентного состава низкотемпературной квазистационарной плазмы тяжёлых инертных газов с учётом разных плазмохимических реакций, а также изучение распределений возбуждённых состояний атома Ar и Хе для спектроскопических исследований в плазменных устройствах.

Основные результаты, научная новизна работы.

В теоретическом плане:

1. Рассмотрена кинетическая (метаравновесная) модель двухтемпературной квазистационарной плазмы, позволяющая получать распределения возбуждённых состояний атомов тяжёлых инертных газов, являющиеся базовыми понятиями спектроскопии неравновесной плазмы.

2. В квазистационарных условиях (микросекундный диапазон) решение системы уравнений квазистационарной многоуровневой кинетики представлено графически на диаграмме параметров (зависимости концентрации электронов от плотности ядер). С учётом реакции диссоциативной рекомбинации возникает нетрадиционная область гистерезисного типа. Кинетическое равновесие при одной и той же плотности ядер реализуется не единственным способом. Одно из них относится к модели локального термодинамического равновесия (ЛТР), и компонентный состав совпадает с расчётом по “расщеплённой” модели и, частично, со значениями, вычисленными по формуле Саха. Для тех же температур электронов (ФРЭЭ) существует второе (не только математическое) решение, характеризующее столкновительно-излучательное метаравновесие (СИМР) при более низких значениях концентрации электронов. При преобладании фотонных процессов существует третье решение, стремящееся к корональному пределу.

3. В области СИМР распределения возбуждённых состояний (зависимости заселённостей от энергии возбуждения) имеют вид ломаных линий. Наклоны этих отрезков, по которым для больцмановских распределений определялась температура, характеризуют некоторую условную температуру возбуждения, не совпадающую с температурой электронов.

4. В рамках статистического подхода рассчитан компонентный состав плазмы окиси иттрия и текстолита.

В задачах диагностики:

1. В рамках метаравновесной модели двухтемпературной квазистационарной плазмы аргона впервые объяснён эксперимент В.Н. Колесникова (разнозначный характер распределений в плазме аргоновой дуги при атмосферном давлении).

2. Распределения возбуждённых состояний (РВС), полученные в результате решения квазистационарной многоуровневой кинетики в рамках СИМР для аргона находят подтверждение в экспериментальных работах при исследовании проточной дуги в аргоне и сверхзвуковой плазменной струи Ar.

Практическая ценность. Развитые в работе подходы могут быть использованы при разработках плазменных устройств, а также найти применение в диагностике низкотемпературной плазмы, а также при использовании дуговых плазмотронов для разрушения вредных примесей, в плазмохимии.

Достоверность полученных результатов. Выводы и положения, сформулированные в работе, являются обоснованными фактами, достоверность которых подтверждается: использованием обоснованных математических моделей и методов; соблюдением правил составления и тестирования вычислительных алгоритмов и программ; анализом известных предельных случаев; сравнением экспериментальных и теоретических данных.

На защиту выносится:

1. Распределения возбуждённых состояний (РВС), рассматриваемые как базовые понятия спектроскопии неравновесной плазмы, полученные в результате решения квазистационарной многоуровневой кинетики в рамках СИМР для аргона.

2. Значения заселённостей, формирующие РВС, которые относятся к нетрадиционной области СИМР, группируются в отдельные отрезки с разными наклонами (температурами), образуя ломаную кривую. Эти распределения подтверждены экспериментально в условиях стационарного дугового разряда в аргоне, в условиях проточной дуги в аргоне и сверхзвуковой плазменной струи Ar.

3. Рассчитанные РВС в рамках метаравновесной модели квазистационарной многоуровневой кинетики позволили впервые объяснить классический эксперимент В.Н. Колесникова (разнозначный характер распределений в плазме аргоновой дуги при атмосферном давлении). Тем самым подтвердить справедливость существование двух кинетических квазиравновесий: ЛТР при концентрациях электронов Ne > 6.1015 см-3 и СИМР при меньших концентрациях электронов.

4. Представлена диаграмма параметров для одно–, двух– и трехкомпонентной плазмы, компонентный состав которой рассчитан в рамках статистического подхода.

При малых значениях числа ядер Nяд (1016 – 1017 см-3) концентрации электронов имеют близкие значения независимо от химического элемента. Далее – для текстолита и аргона (большие потенциалы ионизации) значения Ne на порядок отличаются от значений для LiH и Y2O3. Характер зависимости для одно–, двух– и трехкомпонентной плазмы не меняется.

5. В рамках статистического подхода рассчитан компонентный состав плазмы окиси иттрия в интервале температур 10–35 кК и давлений Р = 0.01; 0.1; 1; 10; 25;

50 МПа, что соответствует предполагаемым параметрам плазмы капиллярного разряда с испаряющейся стенкой (КРИС). При температуре Т = 27 кК и давлении Р = 25 МПа в плазме преобладают второй и первый ионы иттрия Y++ и Y+, а также первый ион и атом кислорода O+ и O. Концентрации электронов порядка 6. 1019 см -3.

6. В расшифрованном спектре плазмы окиси иттрия, истекающей из канала сильноточного разряда в КРИС на фоне сплошного спектра в поглощении видны в основном линии атома и первого иона иттрия, а также фиксируются чёткие молекулярные полосы YO. Отсутствуют линии атома кислорода. Линии второго иона иттрия - единичны.

7. Рассчитаны обезразмеренные ширины Ne, Ne, Na Na для, 4e v 6 атома ксенона, позволяющие по ширине контура спектральных линий определять концентрации электронов неравновесной плазмы.

Апробация работы. Материалы, вошедшие в диссертацию, обсуждались и докладывались на следующих конференциях: 3ий, 6ой Межгосударственные симпозиумы по радиационной плазмодинамике 1994, Москов. обл., п. Лыткино, 2003, Звенигород; 2ой Международный симпозиум по теоретической и прикладной плазмохимии, 1995, Иваново; 1–st International conference on nonequilibrium processes in nozzles and jet, 1995, MAI; 2ая Международная конференция «Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул», 1995, Томск; 8 Конференция по физике газового разряда, 1996, Рязань; Двенадцатая Международная конференция по вычислительной механике и современным прикладным программным системам, 2003, Владимир; V, VI Международные конференции по неравновесным процессам в соплах и струях 2004, Самара, 2006, С-Петербург; XIV, XVI Международные конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС), 2005, 2009, Алушта, Крым.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ [1–14], из них две работы опубликованы в реферируемых журналах.

Объём и структура диссертации. Диссертация изложена на 143 страницах, включая 14 страниц приложений. Библиография - 105 названий. Рисунки - 42.

Таблиц - 16.

Содержание работы Для изучения физико – химических процессов плазменных объектов и характеристики их термодинамических и оптических свойств используются спектроскопические методы. Оперативные представления спектроскопии плазмы базируются на изучении вероятностных распределений, таких как распределения электронов по энергиям, распределения фотонов по длинам волн, распределения по возбужденным состояниям атомов или ионов.

Для наглядности и удобства представления решения поставленной задачи вводится диаграмма параметров (гл.1 и гл.2) и диаграмма метаравновесных состояний (гл.3) как зависимости концентрации электронов от плотности ядер при разных температурах электронов. Рассмотрение моделей (как и в монографиисправочнике [15]) зависит от выбора плазмохимических реакций.

Во введении обосновывается актуальность темы, дан общий обзор проделанной работы.

В первой главе основное внимание уделяется электрон-атомным взаимодействиям: электронные удары I и II рода, ионизация и тройная рекомбинация, Рассмотрение проводится в рамках “ращеплённой” модели, статистического и кинетического подходов. В условиях локального термодинамического равновесия проведены расчёты компонентных составов низкотемпературной плазмы Ar, Xe,, Y2O3, C37H47O16. Традиционно подобные расчёты характеризуются зависимостями, представленные на рис. 1.

При изучении эрозийной плазменной струи сильноточного разряда в канале [7,16, 17], стенки которого были сделаны из окиси иттрия, а также при диагностике такой струи потребовались численные значения компонентного состава плазмы Y2O3.

Температуры в канале порядка 30 кК, давления – порядка 25 МПа, степень нерасчётности струи на выходе из канала была более 100.

В области приустья сняты спектры плазмы Y2O3, идентифицировано линий. В расшифрованных спектрах присутствовали линии атома, первого и второго иона иттрия и спектральные линии иона кислорода (при этом кислородные линии атома отсутствовали). Расчёты с использованием термодинамически равновесных моделей малоинформативны, поскольку их компонентный состав противоречит спектроскопическим исследованиям плазмы капиллярного разряда с испаряющейся стенкой.

В рамках этого же подхода проводился расчёт трёхкомпонентной плазмы (текстолита C37H47O16), рис. 2.

При спектроскопических исследованиях плазмы текстолита, истекающей из канала диаметром d = 2 мм и длиной l = 19 мм, при токе I =5.97 кА (давление в центре P0 = 47 МПа, давление на срезе Pкр. = 21 МПа, T ~ 30 кК, Ne = 1.7.1019 см-3). На фоне интенсивного сплошного спектра “в шубе” наблюдалось 27 слабых линий. Для водорода из серии Бальмера присутствует лишь одна сильная линия H. – 656.284 нм, а линии H, H, H, наблюдаемые в диафрагменном разряде у Е.В. Калашникова [18], отсутствуют во всех режимах разряда. Отсутствуют также линии атома кислорода, кроме возможной интерпретации линии 610.3 нм (O, = 610.4 нм), конкурирующей с линией иона углерода (C+, = 610.26 нм), а также 459.2, 421.7 нм. В основном наблюдаются линии первого иона углерода C+. Потенциалы ионизации атомов углерода, кислорода и водорода близки, потенциалы их первых ионов мало отличаются, линии “заперты”. Это и обуславливает относительно ровный сплошной спектр, который необходим для эталонного источника света.

Вышеприведённые расчёты для одно-, двух- и трёхкомпонентных составов представим на диаграмме параметров. На рис. 3 при давлениях 104, 105, 106, 107 Па (бочкообразные изолинии) и температурах 10, 14, 20 кК сравниваются расчёты равновесных составов гидрида лития LiH, окиси иттрия Y2O3, текстолита C37H47O16, а также аргона Ar для температур 11.6 и 14 кК. При малых значениях числа ядер Nяд (1016 – 1017 см-3) концентрации электронов имеют близкие значения независимо от химического элемента. Далее «трубка» текстолитовая, аргоновая (большие потенциалы ионизации) расширяется и значения Ne в этих случаях на порядок отличаются от «трубки» LiH или Y2O3.

Следует отметить однозначный характер всех этих зависимостей на диаграмме параметров.

Развиваемый нами кинетический подход с учётом лишь электронных процессов (п. 1.3) не вносит изменений – зависимости имеют однозначный характер, рис.4. РВС сохраняет больцмановский вид, рис.5.

Во второй главе рассматривались радиационные процессы, играющие важную роль в кинетике заселения возбужденных состояний, процессах ионизации и рекомбинации. Их значение возрастает по мере уменьшения плотности плазмы и снижения частоты столкновительных процессов. Включение фотопроцессов принципиально не меняет диаграмму параметров и распределения возбуждённых состояний.

В третьей главе особое внимание уделяется диссоциативной рекомбинации и тому, как её учёт повлияет на диаграммы параметров.

При решении задач многоуровневой кинетики система кинетических уравнений записывается для следующих реакций:

– взаимодействие с электронами ( Z – матрица, учитывающая возбуждение и девозбуждение электронным ударом, Z0 – вектор констант скоростей ионизации, T – вектор констант скоростей тройной рекомбинации) Xi + e X + e, Z j i j ; (1) + Xi + e X + 2e, Z 0i ;

(2) + X + 2e Xi + e, Ti ;

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»