WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

2 ln 2 a ln( ) Концентрация Ns сажевых частиц в различных системах изменяется в пределах 107-1010 cm-3, а значения математического ожидания и среднеквадратичРис. 3. Зависимость (P) для иона NO+ от радиуса частицы, ного отклонения лежат в диапазонах = 10-30 nm, полученная в кинетическом и диффузионном приближениях = 1.3-1.6 [15]. Поскольку сажевые частицы с данным (сплошные и штриховые линии, соответственно).

радиусом a могут отличаться величиной накопленного заряда q, то в общем случае для описания эволюции ансамбля сажевых частиц необходимо ввести счетную Увеличение давления продуктов горения при той функцию распределения f (a, q), которую удобно предже T приводит к уменьшению. Так, например, при ставить в виде Q pc = 1MPa и T = 2000 K длина свободного пробега f (a, q) = j(a) (q - q ).

j иона NO+ равна 16 nm, т. е. для частиц с a > 16 nm j=необходимо для расчета (P) использовать формулу (11).

При этом с увеличением размера частицы разница меж- Здесь j(a) =N f (a/q ); N — концентрация частиц j j j ду величиной (P), определенной для кинетического (4) с зарядом q ; Q — число возможных значений заряда, j Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. Особенности взаимодействия ионов и электронов с наночастицами в плазме... аккумулированного на сажевых частицах (Q = 2|P| + 1); Уравнения вида (16)–(18) решались совместно с уравf (a/q ) — условная вероятность того, что частица с нением энергии, включающим энтальпии как нейтральj зарядом q имеет радиус a. ных, так и заряженных газовых компонентов, численно j Представим непрерывную функцию j(a) суперпози- с использованием неявной разностной схемы второго цией -функций порядка аппроксимации. Анализ показал, что сходимость решения уравнений (16) по таким интегральным характеристикам, как полное число частиц с зарядом q и j j(a) = N (a - a), j средний радиус частиц с зарядом q достигается при j =числе фракций = 40. В то же время для обеспечения сходимости по числу частиц, имеющих заряд q, и j где N — концентрация частиц с радиусом a, j радиус, меньший a, необходимо разбиение с = 80.

несущих заряд q. При этом кинетическое уравнение j для концентрации частиц j-й фракции ( j = 1,..., Q;

= 1,..., ), описывающее их изменение в результате Динамика зарядки сажевых частиц взаимодействия с ионами в адиабатическом реакторе идеального смещения можно представить в виде Конкретный анализ динамики формирования ионов и заряженных частиц проведем для условий, реализуюQ щихся при объемной реакции продуктов термической dNj M = jkl l(k)(a, ml, qk)Nknl деструкции i-C8H18 с воздухом в адиабатическом реdt k=1 l=акторе идеального смешения с начальными параметM рами: Tc = 1250 K, pc = 0.1 MPa и эквивалентным со- N l(k)(a, ml, qk)nl; (16) отношением топливо/воздух = 3. Объемная реакция j при pc = const в такой смеси приближенно моделирует l=условия, характерные для процессов, протекающих в бо1, qk + pl = q гатой зоне камер сгорания различных энергоустановок.

j jkl =, pl =+1; -1.

Кинетическая модель, используемая в данной работе для 0, qk + pl = q j описания формирования положительных и отрицательЗдесь M — количество компонентов, состояющих из ных ионов (электронов) в газовой фазе, включает более ионов и электронов. 1000 обратимых реакций с участием 117 нейтральных Уравнения вида (16) (всего их Q ) необходимо компонентов и 35 следующих ионов: H-, OH-, O-, дополнить балансными уравнениями для изменения кон- O-, O-, O-, CO-, CO-, CN-, NO-, NO-, NO-, SO-, 2 3 4 3 4 2 3 центрации различных ионов и нейтральных компонентов SO-, SO-, HSO-, HCO+, CH+, C2H+, C3H+, CH2OH+, 3 4 4 3 3 во времени, учитывающими как плазмохимические реак- C2H3O+, C+, CO+, CO+, H3O+, H2O+, O+, O+, N+, N+, 2 2 ции, так и прилипание ионов к сажевым частицам. Эти NO+, NO+, NH+, NH+ [27].

2 3 уравнения удобно представить в виде На рис. 4 показано рассчитанное изменение концентрации основных ионов и электронов, nl, а также dnl температуры во времени в рассматриваемых условиях = Qch + Qat; (17) l l dt при отсутствии сажевых частиц. Видно, что максимальная концентрация ионов и электронов достигается dni = Qch; (18) i dt M - + Qch = Siq, Siq = iq - iq R+ - R-, i q q q=n+(-) q +(-) iq R+(-) = k+(-)q ni ;

q i=Q Qat = -nl l(k) a, ml, qk Nk.

l k=1 =Здесь nl — концентрация ионов l-го типа, а ni — концентрация i-го нейтрального компонента смеси в газовой + фазе (i = 1,..., M1); iq и iq — стехиометрические Рис. 4. Изменение концентрации различных ионов (элеккоэффициенты q-й реакции; n+(-) — число компонентов, q тронов), nl, температуры, T, при объемной реакции в смеучаствующих в прямой (+) и обратной (-) реакциях;

си продукты деструкции i-C8H18 + воздух с Tc0 = 1250 K, k+(-)q — константы скорости этих реакций. pc = 0.1MPa, = 3, Ns = 109 cm-3.

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 58 А.М. Савельев, А.М. Старик действием сажевых частиц с электронами, имеющими малую массу и высокую подвижность, а следовательно, и большее значение коэффициента прилипания. Следует отметить, что наличие в газе отрицательно заряженных наночастиц с q = 102-103 элементарных зарядов характерно и для низкотемпературной разрядной пылевой плазмы [8] и также объясняется, по-видимому, наличием большего количества электронов (ne = 1011-1012 cm-3) в такой плазме.

С течением времени за счет взаимодействия заряженных, в основном, отрицательно, сажевых частиц с положительными ионами (главным образом, с C2H3O+, C3H+) распределение наночастиц по заряду становится более симметричным. При t 10-2 s число частиц, заряженных положительно, становится практически равРис. 5. Изменение концентрации сажевых частиц в групным числу частиц, имеющих отрицательный заряд:

пе с фиксированным зарядом q во времени, t (t = t - t0, + Ns = 3.5 · 108, Ns = 3.9 · 108 cm-3. Уменьшается при t0 = 4.5ms), при объемной реакции в смеси продукты деэтом и величина наибольшего заряда, который может струкции i-C8H18 + воздух с Tc0 = 1250 K, pc = 0.1MPa, = 3, аккумулироваться на сажевых частицах различного разNs = 109 cm-3.

мера. Это иллюстрирует рис. 6, на котором представлено распределение концентрации частиц по заряду с радиусом, меньшим некоторого фиксированного значения, в момент (t 4.5ms), соответствующий достижению в моменты времени t = 10-5 и 10-2 s. Из представнаибольшей температуры в реакторе (Tmax = 2142 K) после воспламенения смеси. В этот и последующие моменты времени наибольшая концентрация реализуется для иона C2H3O+ и электронов. Несколько меньше концентрация ионов CN-. Из положительных ионов заметная концентрация при t = 4.5 ms достигается также для ионов C3H+, CH+, а из отрицательных — для 3 ионов OH-, O-, CO-, CO-, NO-, NO-. Отметим, 2 3 4 2 что все эти ионы были обнаружены в углеводородном пламени [11,18]. Наибольшая суммарная концентрация положительных N+ и отрицательных N- ионов при данных условиях составляет 6 · 1010 cm-3 (t = 4.5ms).

Эти значения N+ и N- хорошо коррелируют с измерениями концентрации ионов в пламени [11]. Далее она уменьшается, в основном, вследствие рекомбинации и при t = 0.1 s не превышает 108 cm-3.

Присутствие сажевых частиц существенно изменяет профили концентраций ионов и электронов. При моделировании динамики зарядки сажевых частиц полагались = 25 cm, = 1.56, а Ns = 109 cm-3 (эти значения, и Ns характерны для сажевых частиц, образующихся при горении обогащенных топливом углеводородно-воздушных смесей), а время, при котором полидисперсный ансамбль изначально нейтральных наночастиц появляется в реакторе t0 = 4.5 ms. Динамику зарядки сажевых частиц иллюстрирует рис. 5. Видно, что в начальные моменты времени частицы заряжаются, в основном, отрицательно. Причем существует значительное число частиц (Ns (q) 400 cm-3), заряд которых составляет 65 элементарных зарядов, а число частиц, имеющих заряд q = -20 e, при t = 10-5 s (t = t-t0) даже больше, чем число нейтральных чаРис. 6. Распределение сажевых частиц с радиусом, меньшим стиц: Ns (q = -20 e) =2 · 107 cm-3. При рассматриваенекоторого фиксированного значения, по заряду в моменмых параметрах время зарядки составляет 1 µs, а ты времени t = 10-5 (a) и 10-2 s (b) при Tc0 = 1250 K, сам процесс зарядки определяется, в основном, взаимо- pc = 0.1MPa, = 3, Ns = 109 cm-3.

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. Особенности взаимодействия ионов и электронов с наночастицами в плазме... ленных гистограмм видно, что в начальные моменты времени (t = 10-5 s) даже на мелких сажевых частицах с a > 10 nm может накапливаться значительный отрицательный заряд q = -8 e. Крупные же частицы с a 80 nm могут заряжаться даже до q = -50 e. Число отрицательно заряженных частиц Ns значительно боль+ ше числа положительных, Ns : Ns = 9.85 · 108 cm-3, + Ns = 6.7 · 104 cm-3.

При t = 10-2 s накопленный на частицах максимальный заряд существенно меньше: для частиц с a < 10 nm он не превышает q = 6 e, а для крупных частиц с + a 80 nm — q 15 e. При этом Ns Ns, число положительных заряженных частиц составляет 36%, Рис. 7. Изменение концентрации положительных N+ (сплошнейтральных — 24% и отрицательно заряженных — ные кривые) и отрицательных N- (штриховые кривые) ионов 40%. Следует отметить, что именно симметричное рас(электронов) во времени при реакции в смеси: продукты депределение сажевых частиц по заряду было недавно струкции i-C8H18 + воздух с Tc0 = 1250 K, pc = 0.1MPa, = зарегистрировано в пропано-воздушном пламени, а макдля Ns = 0; 109 cm-3 (кривые 1,2).

симальный заряд частиц не превышал q = |10 e| [16]. Это говорит о том, что, по-видимому, основным механизмом образования положительно и отрицательно заряженных образуется при наличии серы в топливе [27]) и HNOчастиц в пламени и в камерах сгорания энергоустановок на частицу с a = 5nm 10-5 и 10-3 s, т. е. действиявляется взаимодействие ионов и электронов с сажевытельно на заряженных частицах уже в камере сгорания ми частицами.

(время пребывания газа res = 3-5ms) могут осаждаться При t = 10-1 s устанавливается квазиравновесное расразличные водорастворимые соединения. Проведенный пределение по заряду (dN /dt = 0), т. е. скорости приj недавно анализ сажи, собранной за камерой сгорания липания положительных и отрицательных ионов равны реактивного двигателя, показал наличие фракции сажи, между собой. Отмеченные закономерности формировасодержащей такие соединения и ионы HSO- [29,30].

ния полидисперсного ансамбля заряженных наночастиц Наличие на сажевых частицах значительного заряостаются справедливыми и при других значениях Ns, изда различной полярности должно привести к увеменяются лишь временные масштабы соответствующих личению скорости коагуляции наночастиц [31]. Как процессов. Так, например, при уменьшении Ns харакпоказывают оценки для двух частиц с a = 20 nm и терное время зарядки увеличивается. Конечно, изменязарядами |q1| = |q2| = 6 e, константа скорости коагуется и относительная концентрация частиц, имеющих ляции при T = 2000 K и pc = 0.1 MPa не превышанекоторый заряд q, т. е. форма функции распределения ет 5.4 · 10-8 cm3/s. Поскольку количество частиц с Ns (q), но естественно, что в любой момент времени a = 20 nm Ns(q = ±6e) 107 cm-3, то характерное вревыполняется условие квазинейтральности плазмы мя коагуляции c 2 s, т. е. в процессе зарядки коагуля + ции частиц не происходит.

n+ - n- - ne + qpNs (qp) - qpNs (q-) = 0, m k p m k p Взаимодействие ионов с частицами приводит к уменьшению их концентрации по сравнению со случаем + где Ns (qp) и Ns (qp) — концентрации положительно и отсутствия такого взаимодействия (в последнем случае отрицательно заряженных сажевых частиц с зарядом qp.

снижение концентрации ионов во времени (рис. 4) обуФормирование в газе заметного количества частиц словлено, в основном, процессами рекомбинации). Это с достаточно большим отрицательным зарядом (наиллюстрирует рис. 7, на котором показаны зависимости пример, при t = 10-5 s, Ns (q = -30 e) =8 · 106 cm-3) N+(-)(t), N+ = n+, N- = n- + ne для рассматриваm k может стимулировать осаждение на поверхности таких m k частиц молекул H2O, SO3, NO3, HNO2, HNO3, ор- емых условий горения при Ns = 0 и 109 cm-3. Отметим, что степень этого уменьшения зависит от величины Ns.

ганики и т. п., образующихся при горении различных Чем больше Ns, тем сильнее уменьшаются значения N+ видов углеводородного топлива в воздухе и обладающих и N-. Другим важным аспектом взаимодействия ионов собственным дипольным моментом, и таким образом изменить их адсорбционную и реакционную способ- с сажевыми частицами при горении углеводородного ность. Простые оценки с использованием выражения топлива является отличие концентраций положительных для коэффициента прилипания полярных молекул к и отрицательных ионов, причем практически всегда заряженным частицам, приведенного в [28], показывают, N+ > N-. Так, например, для рассматриваемых условий что вероятность осаждения на частице с a = 10 nm горения и Ns = 109 cm-3 отличие между N+ и N- при и q = 16 e молекул H2O увеличивается в 50 раз по t = 10-2 s составляет 500 раз, а при Ns = 107 cm-3 их сравнению со случаем отсутствия заряда. При этом ха- значения практически одинаковы (расслоение кривых рактерное время осаждения полярных молекул SO3 (SO3 N+(t) и N-(t) начинается значительно позже).

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 60 А.М. Савельев, А.М. Старик Заключение [12] Calcote H.F., Keil D.G. // Pure Appl. Chem. 1990. Vol 62.

N5. P. 815–824.

Наличие проводимости у сажевых частиц позволяет [13] Weilmster, Keller A., Homann K.-H. // Combust. Flame.

1999. Vol. 116. N 1/2. P. 62–83.

им аккумулировать значительный электрический заряд [14] Barone A.C., d’Alessio A., D’Anna Q. // Combust. Flame. 2003.

вследствие поляризации в поле иона (электрона). ВзаVol. 132. N 2. P. 181–187.

имодействие ионов и электронов, образующихся при [15] Soot Formation in combustion: Mechanisms and models / горении углеводородного топлива в результате протеEd. by H. Bockhrom Berlin–Heidelberg–New-York: Springer кания хемоионизационных и других плазмохимических Verlag, 1994.

реакций, ведет к накоплению как положительного, так и [16] Onischuk A.A., di Stasio S., Karasev V.V. et al. // J. Aerosol отрицательного заряда на частицах. Вследствие большей Sci. 2003. Vol. 34. N 4. P. 383–403.

подвижности и более высокого коэффициента прили[17] Eraslan A.N., Brown R.C. // Combust. Flame. 1988. Vol. 74.

пания электронов, по сравнению с ионами, на начальN1. P. 19–37.

ной стадии процесса полидисперсный ансамбль сажевых [18] Pedersen T., Brown R.C. // Combust. Flame. 1993. Vol. 94.

частиц в высокотемпературной области пламени заряN4. P. 433–448.

жается отрицательно. При этом на крупных частицах [19] Старик А.М., Титова Н.С. // Физика горения и взрыва.

с радиусом a = 80-100 nm может накапливаться заряд 2002. Т. 38. № 38. С. 3–19.

Pages:     | 1 || 3 |



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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.