2. Методи створення димової плазми.

Димова плазма представляє собою частково іонізований газ, який вміщує частки конденсованої фази в вигляді димових часток оксидів металів, сажі та інших. Так як плазма створюється в результаті спалювання природних або синтетичних палив, то методи її створення визначаються тільки складом паливної суміші та умовами спалювання.

Умови спалювання паливної суміші залежать від типу пального та мети експерименту. Наприклад, газовидні палива, як правило, спалюються на відкритому повітрі з використанням кисню повітря, або в камерах згорання. В останньому випадку може бути використованим штучний окислювач, введений в камеру через спеціальну форсунку. На склад та термодинамічний стан продуктів згорання значно впливає попереднє перемішування пального з окислювачем, яке може проводитися в камері змішування перед камерою згорання, або перед подачею суміші в горілку відкритого полум’я.

В якості твердого палива використовуються природні – вуглецеві та вуглеводневі палива, а також металеві порошки і штучні палива – порох та вуглеводневі сполуки, в деяких випадках з добавкою металів. Для підвищення інтенсивності спалювання твердих палив необхідно збільшити поверхню контакту палива з окислювачем. Тому тверді палива, як правило, змільчують на спеціальних млинах.

Тверді палива спалюють в газовидному окислювачі, або в складі суміші паливного порошку з частинками з’єднань, вміщуючих окислювач (кисень, хлор). Перший випадок спостерігається на теплових електростанціях з вугільним пальним, а другий – в сумішних ракетних паливах та в піротехнічних виробах.

Рідкі палива спалюються в вигляді дрібних крапель в газовидному окислювачі в камері згорання, або в повітрі, причому в процесі горіння паливо передчасно випаровується. В якості палив часто застосовуються природні вуглеводні, а також штучні палива, наприклад, водень ( паливо для рідинного ракетного двигуна).

В результаті горіння створюється факел, структура якого також визначається умовами спалювання та типом палива. Температура факела достатньо висока для того, щоб продукти згорання частково іонізувались. Таким чином, в факелі створюється низькотемпературна плазма продуктів згорання.

Плазма продуктів згорання являє собою один з найбільш складних варіантів низькотемпературної плазми, що значною мірою визначено умовами її одержання й наявністю конденсованої дисперсної фази, яка приводить до міжфазної взаємодії на границі розподілу конденсованої й газової фаз.

До міжфазних взаємодій варто віднести обмін енергією, масою, імпульсами та зарядами на поверхні конденсованих часток. Очевидно, що міжфазні взаємодії визначають кінетику нерівноважних процесів, таких як гетерогенні хімічні реакції, випаровування і конденсація, а, з іншого боку, відіграють істотну роль у встановленні квазірівноважних значень концентрації компонентів плазми і зарядів конденсованих часток в умовах термодинамічної рівноваги.

Частки конденсованої дисперсної фази змінюють характер процесів, що протікають на їхній поверхні. У таких процесах, як запалення і горіння часток дисперсного палива в газоподібному окислювальному середовищі, випаровування рідкої домішки, придбання електричного заряду поверхнею часток, міжфазна взаємодія є визначальною. Тому дослідження міжфазної взаємодії в плазмі продуктів згорання на різних етапах її формування є актуальним як для прикладних, так і для фундаментальних завдань, наприклад, в області фізики плазми космічного простору.

З різноманіття процесів міжфазної взаємодії в плазмі продуктів згорання варто виділити, з одного боку, найбільш характерні процеси, а з іншого боку, що найбільше істотно впливають на формування плазмових характеристик продуктів згорання. Такі процеси проявляються на двох різних етапах.

Перший етап характеризується способом введення легкоіонізуючої домішки, яка вводиться безпосередньо в паливну суміш для підвищення ступеня іонізації атомів і молекул. Наприклад, у піротехнічних виробах в якості легко іонізуючої домішки застосовуються сольові зєднання лужних металів, які одночасно відіграють роль зв’язуючого окислювача. В інших випадках легко іонізуюча домішка вводиться в камеру згорання через форсунки у вигляді водяного розчину солей лужних металів, або шляхом пропитки часток твердого палива водяними розчинами лужних з'єднань із наступним випарюванням води при сушінні.

Перший етап відіграє важливу роль у формуванні фізико-хімічного складу і термодинамічного стану плазми і тому є визначальним при класифікації її типів. Наприклад, продукти згорання, отримані при спалюванні металевого порошку в газовому окислювачі, містять дрібнодисперсні частки оксиду металу і в залежності від режиму горіння їхні розміри можуть змінюватися від сотих часток мікрона (об'ємна конденсація при газофазному режимі горіння) до декількох мікронів (гетерогенне горіння і конденсація). Така плазма іноді називається „плазмозолем”. Змінюючи співвідношення окислювач – пальне, можна регулювати середній розмір часток конденсованої фази за рахунок зміни режиму горіння часток металу.

З іншого боку при введенні легко іонізуючої домішки в плазму продуктів згорання, наприклад, у вигляді крапель водяного розчину солі лужного металу замітно підвищується концентрація вільних електронів і наряду з цим спостерігається випарювання краплин, що приводить до нерівноважності в плазмі. Тому способ введення домішки суттєво впливає як на ступінь іонізації плазми, так і на механізми фізико- хімічних процесів в продуктах згорання.

Горіння палив та сумішних композицій на першій стадії створення плазми продуктів згорання супроводжується нерівноважними фізико-хімічними процесами такими, як конденсація та випаровування, хімічні перетворювання при горіння та інші. Тому міжфазні взаємодії характерні для першого етапу формування плазми продуктів згорання не мають місце в пиловій газорозрядній плазмі через специфіку її одержання. Це стосується також таких типів пилової плазми, як фотоемісійна та ВЧ-розрядна плазма.

Другий етап формування плазми продуктів згорання характеризується, в основному, взаємодією плазми з конденсованими частками. На цьому етапі встановлюється квазіравноважні значення концентрацій заряджених часток, електронів і іонів при наявності локальної термодинамічної рівноваги в продуктах згорання.

Фізичні властивості плазми з КДФ визначаються функціями розподілу, що виражають мікроскопічні взаємодії в газовій плазмі і на поверхні розподілу газової і конденсованої фаз. Мікроскопічні взаємодії зв'язані з обміном зарядами, енергією, масою та імпульсом між компонентами плазми.

Введення легко іонізуючої домішки атомів лужних металів з концентрацією, що значно перевищує природну домішку, істотно змінює іонізаційно-рекомбінаційні процеси в плазмі. Тепер утворення вільних електронів можливо за рахунок двох механізмів: об'ємної іонізації атомів газової фази і термоелектронної емісії з поверхні конденсованих часток. Крім того, міжфазна взаємодія може впливати на кожний з механізмів іонізації.

Термодинаміка процесів міжфазної взаємодії в плазмі продуктів згорання на другій стадії відрізняється від процесів, що протікають на першій стадії, наявністю яскраво виражених електростатичних взаємодій між компонентами газової і конденсованої фаз. Такі взаємодії, приводять до взаємозв'язку механізмів іонізації конденсованої і газової фаз і тому плазму продуктів згорання необхідно розглядати як єдину термодинамічну систему на відміну від наближення «розрідженої плазми». Міжфазну взаємодію в рівноважній димовій плазмі можна представити як перехід частини вільної енергії від підсистеми конденсованої фази до підсистеми газової, або навпаки.