книги из ГПНТБ / Проблемы кинетики элементарных химических реакций к семидесятилетию акад. В. Н. Кондратьева [сборник]

ронных состояний добавляются диссоциативная рекомбинация, перезарядка, дезактивация колебательных возбужденных состоя­ ний молекул примеси при столкновении с электронами. Кроме того, если плазма содержит метастабильные ионы и атомы, то возмож­ ны процессы ионизации молекул примеси, сопровождающиеся образованием атомов в основном состоянии.

Скорости перечисленных реакций могут отличаться на поряд­ ки величин в зависимости от условий истечения, главным образом от степени ионизации газа в области торможения. Для полно­ стью ионизированной плазмы, содержащей двухзарядные и одно­ зарядные ионы, процесс рекомбинации приводит к образованию метастабильных ионов и атомов, что существенно влияет на кине­ тическую картину течения, особенно, при введении молекуляр­ ного газа (SFß, СС12, С02) в струю плазмы [8, 21].

Несмотря на то, что время релаксации возбуждения тв элект­ ронного состояния обычно меньше характерного газодинамиче­ ского времени течения, распределение концентраций возбужден­ ных частиц по уровням существенно отличается от больцмановского вследствие высоких неравновесных концентраций двухзаряд­ ных, однозарядных ионов и электронов в сверхзвуковой части струи плазмы. При этом крайне существенным фактором является релаксация электронной температуры: чем резче падает элект­ ронная температура в струе (при аналогичных параметрах тормо­ жения), тем выше параметр неравновесности х = пе/пе . Однако

большая величина отношения тг/т* [4] обеспечивает квазистацио-

нарное распределение заселенностей, что позволяет отделить систему релаксационных уравнений, описывающих поле Те, пе от системы уравнений для заселенностей. Указанный подход был применен для оценки заселенности электронных состояний азота при течении плазмы азота в сопле [4] и в настоящей работе для расчета течения ионизированного аргона. Из кинетической картины течения в струях газа и плазмы следует, что наибольший практический интерес представляют струи молекулярных газов с колебательной неравновесностью в области I жс химической неравновесностью в остальных областях и неравновесностью элект­ ронных процессов в струе разреженной плазмы. Ниже приводятся результаты исследований указанных течений.

ХИМИЧЕСКАЯ И КОЛЕБАТЕЛЬНАЯ РЕЛАКСАЦИЯ

ВСТРУЯХ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ

Всверхзвуковых расширяющихся потоках двуокиси углерода

спримесью азота нарушение равновесного распределения хими­ ческого состава может быть определено в результате интегрирова-

2 0 2 Н. И. Ющенкова

го валентного колебания, что указывает на существенное влияние Кориолисова взаимодействия на релаксационные параметры смеси С02—N2. При превышении ТѵС02 (ѵ3) более чем в 1,7 раза Тѵ С02

немонотонный характер (рис. 5,6). Расчеты Ап с учетом Кориоли­ сова взаимодействия для процесса III показывают снижение Ап но сравнению с расчетами, при которых вероятность процесса III рассчитывалась по методике [16].

В смесях, содержащих атомы и радикалы, образующиеся при введении Н20 в дозвуковую часть течения, кинетика химических реакций приводит к образованию высоких (неравновесных) кон­ центраций Н, ОН [17].

Поскольку времена релаксации обменных реакций сущест­ венно меньше времен релаксации рекомбинации атомов при трой­ ных столкновениях, крайне важным фактором, влияющим на со­ став смеси, является процесс диффузии газа из внешней среды, если в ней имеются компоненты 0 2, О и другие активные частицы.

что на входе в изобарический участок струи состав газа соответст­ вует области II, в которой времена тр порядка тг-

Параметры течения в изобарическом участке струи были опре­ делены в [19] путем численного решения уравнений пограничного слоя, описывающих усредненные по времени свойства течения в изобарическом участке струи. Эти уравнения записываются в ко­ ординатах Мизеса х, ф, где ф — функция тока, связанная с декар­ товыми цилиндрическими координатами формулами

Релаксационные процессы в струях низкотемпературной плазмы 203

уравнение неразрывности z-й компоненты смеси

(17)

Здесь U — составляющая скорости потока, параллельная оси струи; у — координата, отсчитываемая поперек струи; рт — коэф­ фициент турбулентной вязкости; cvf — «замороженная» тепло­ емкость смеси; Le — число Льюиса; Рг — число Прандтля; срі — теплоемкость і-й химической компоненты смеси; а* — массовая скорость образования г'-й компоненты.

Для учета процесса переноса была принята модель турбулент­ ной вязкости, полученная из эксперимента [17]:

И'т^^Рь W b- Uo I,

Принималось, что для рассматриваемой газовой смеси при сме­ шении с воздухом протекают следующие реакции:

Выбор реакций основан на приведенных в [12] механизмах окисления СО и Н2 и возможных реакций обмена с участием ради­ калов. Предполагалось, что в турбулентном потоке можно исполь­ зовать те же температурные зависимости констант скоростей реак­ ций, что и в ламинарном. Константы скоростей прямых реакций были взяты из справочника [13].

Параметры в начале изобарического участка принимались из работы [18]: Т0 = 1600° К, Ѵ0 = 3000 м/сек, радиус струи г0 варь­

т. е. рассматривалось истечение струи в спутный сверхзвуковой поток воздуха.

Результаты расчетов, приведенные на рис. 6, показывают, что состав газа в струе и поле температур изменяются в результате химических процессов, причем с увеличением давления Р 0темпе­ ратура вдоль линий тока в зоне догорания возрастает более интен­

сивно.

Поскольку целью исследования была оценка влияния химиче­ ской кинетики и процессов переноса на состав и газодинамические

Релаксационные процессы в струях низкотемпературной плазмы 205

НЕРАВНОВЕСНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СТРУЙ ПЛАЗМЫ ИНЕРТНЫХ ГАЗОВ

Определение неравновесных электрофизических параметров (концентраций и температур электронов) в струях плазмы инертных газов с примесями молекулярных газов и инверсной населен­ ностью возбужденных уровней атомов и ионов основывалось на экспериментальных исследованиях струй в плазменных газодина­ мических установках [5, 6, 8, 20]. Теоретические значения населен­ ностей возбужденных уровней оценивались из анализа кинетиче­ ских уравнений с учетом механизмов возбуждения атомов, одно­ кратно заряженных ионов, рекомбинации однократно и двухкрат­ но заряженных ионов с электронами, а также процессов высвечи­ вания. В качестве рабочего газа рассматривался химически чистый аргон. Основные процессы возбуждения и рекомбинации в аргоне связаны с взаимодействием атомов и ионов с электронами.

Для области свободного расширения, в которой распределение плотности и концентрации электронов (при а е = const) описы­ вается формулой (1), резкое падение Те вдоль оси струи и высокие относительные концентрации электронов и ионов (двухзарядных и однозарядных) создают условия для образования неравновесных концентраций возбужденных атомов и ионов. Для оценки концент­ рации возбужденных частиц применен метод работы [4]. Прибли­ женно распределение концентраций возбужденных частиц вдоль оси плазменной струи при заданных Те (I) и пе (Г) описывается за­ висимостью:

Ех — Е ь — разность потенциалов ионизации и энергии возбуж­ дения; Те, Тео — температура электронов в струе и на срезе сопла; пге — масса электрона; z — статистическая сумма.

Выполненные оценки распределения концентраций возбужден­ ных частиц в рекомбинирующей плазме аргона (рис- 7) показыва­ ют, что концентрации N* (АІІ4р) крайне чувствительны к рас­ пределению Те и очень сильно отличаются от равновесных. Рас­ пределение пе и релаксация Те в струях исследовались экспери­ ментально. Эксперименты проводились в аэродинамической уста­ новке низкой плотности, описанной в [6, 8, 10]. В качестве гене­ ратора плазмы использовался плазмотрон постоянного тока со стабилизацией дуги газовым слоем [19]. Струя истекала через

Рис. 7. Влияние режима истечения на параметры струи

а— распределение концентраций и температур электронов и заселенностей уровней АгІІ4р вдоль струи плазмы аргона, истекающей из звукового сопла в неподвижную среду аргона. Режим] 1 — Р0 = 40 тор, I = 500 а, V — 15 в (чистая струя аргоновой

плазмы),ссе ж 1; режим 2 — Р„ = 150 тор, I = 200 а, V = 18 в, Рь = 6-10—®тор; че 10-2 (чистая струя слабоионизирующего аргона)

б — интенсивность излучения плазмы аргона АгІІ на переходах 4р — 4s в зависимости от Р0при I = 500 а, V = 15 в для области струи, отстоящей от сопла на 1 см

сопло в вакуумную камеру с давлением Рь = ІО-2 — 10-1 тор. Давление Р 0 в плазмотроне (на входе в сопло) было существенно

Определение концентраций и температур электронов и заселен­ ностей возбужденных уровней атомов и ионов в струе плазмы инертных газов производилось зондовыми и оптическими метода­ ми (8].

Эксперименты показали, что режим истечения существенно влияет на физико-химические параметры, излучение и структуру

Р о )> 100 тор, струя плазмы аргона имеет розовый цвет и ясно различимую волновую газодинамическую структуру (см. рис. 3, б). Спектр плазмы (рис. 8, а) содержит в основном линии возбужден­ ных атомов. При уменьшении давления до 60—30 тор и увеличе-

Релаксационные процессы в струях низкотемпературной плазмы 207

нии тока дуги / 500 а степень ионизации повышается. При этом плазма приобретает голубой цвет (рис. 8, б), в спектре исче­ зают линии атомов и резко увеличивается интенсивность линий возбужденных ионов, соответствующих переходам 4р — 4s (см. рис. 8, а, режим 2).

При переходе к бесстолкновительному режиму истечения (в ре­ зультате снижения P L) качественно изменяется структура струи плазмы за счет влияния магнитогазодинамических эффек­ тов. Наблюдается (рис. 8, в) образование плазменного «шнура», сжимающегося под воздействием собственного магнитного поля. Параметры шнура характеризуются концентрациями nt = ІО13 -г-

1014 смГ3и температурой ионов порядка 10 эв.

Для режимов истечения, при которых в спектре струи наблю­ дались интенсивные линии излучения однозарядных ионов, соот­ ветствующих переходам пр — ns, в вакуумную камеру вводились молекулярные газы (SF8, N2, CC12F2, С02), которые вследствие раз­

реженности плазменного потока при (^кр/^кр) Ра/^ь ІО-2 диф­ фундировали во все области струи. При этом происходили изме­ нения в электрофизических параметрах и излучении струй. Ви­ зуально наблюдалась резкая граница светящегося плазменного образования с формой, близкой к эллипсоиду и ярко-синей окрас­ кой для струй аргона (рис. 8, г) и зеленой —для струй ксенона (рис. 8, д).

ния может быть связано как с изменением Те, так и с процессом нейтрализации ионов инертных газов ионами электроотрицатель­ ных газов или механизмом резонансной перезарядки. Следова­ тельно, если плазма содержит высокие концентрации двухзаряд­ ных ионов (что реализуется при электронных температурах на срезе сопла 20000—30000° К), то в области сверхзвукового рас­ ширения образуются высокие концентрации возбужденных метастабильных однократно заряженных ионов. Последнее позволяет применять струи плазмы для проведения кинетических исследо­ ваний взаимодействия возбужденных заряженных частиц с моле­ кулярными газами, вводимыми в струю плазмы.

Для исследования элементарных процессов при отрицатель­ ном градиенте температур использовалась область свободного расширения струи. Изучение процессов в зоне с резким возра­