Введение к работе
Актуальность темы В целях достижения оптимальных параметров плазменных устройств часто приходится идти по пути усложнения химического состава рабочей среды При этом в разрядах в многокомпонентных смесях протекают процессы, несущественные для однокомпонентных сред Например, в смеси инертных газов возникает пространственно-неоднородное перераспределение компонентов смеси, что может приводить к снижению эффективности работы таких плазменных устройств, как газоразрядные лазеры, газоразрядные источники света и др Неучет влияния пространственного разделения смеси также приводит к значительным ошибкам в определении концентрации химически активных компонентов при использовании актинометрического метода диагностики в плазменных реакторах Еще одна важная проблема, которая решается с помощью плазменных технологий, это очистка инертных газов от примесей, так как потребность в чистом веществе возрастает непрерывно, а требования к его чистоте ужесточаются
В химически активных смесях возникают нехарактерные для инертных газов процессы, приводящие к частичному или полному качественному изменению состава смеси Так разряды, создаваемые в молекулярных газах (воздух, водород, азот, кислород и их смеси), приводят к эффективной диссоциации молекул, наработке активных радикалов и нагреву рабочей среды, что не наблюдается в смесях инертных газов А эти процессы в разрядах в горючих воздушно-углеводородных смесях могут привести к полному изменению первоначального состава, что связано, в частности, с процессами воспламенения и горения Исследование влияния различных типов газовых разрядов на эти процессы актуально с точки зрения необходимости в условиях высокоскоростных потоков обеспечить быстрое объемное воспламенение углеводородного топлива, что актуально для развития современной авиации Изучение процесса воспламенения и горения углеводородных смесей в условиях низкотемпературной плазмы важно как с точки зрения фундаментальных исследований механизмов и кинетики атомно-молекулярных превращений при наличии сильных электрических полей, так и с точки зрения оптимизации плазмохимических процессов Возникла задача поиска оптимальных способов создания низкотемпературной плазмы в высокоскоростных потоках газа, изучения влияния газового разряда на газодинамические характеристики потока вблизи обтекаемого тела и выявления механизма быстрого воспламенения углеводородных топлив Поэтому для более глубокого понимания физико-химических процессов, протекающих при воспламенении углеводородных смесей в газовой и жидкой фазах с помощью низкотемпературной плазмы, актуальным является проведение, как экспериментальных исследований, так и сопоставление их с расчетами в рамках физических моделей влияния газового разряда на инициирование горения
Целью диссертационной работы является экспериментальное и теоретическое исследование фундаментальной научной проблемы, связанной с изучением физических процессов, протекающих в движущейся неравновесной низкотемпературной плазме, создаваемой в многокомпонентных смесях инертных газов, а также в многокомпонентных смесях химически активных молекулярных газов
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи
экспериментальное исследование степени пространственно-временного перераспределения компонентов смесей инертных газов и выявление ответственных за наблюдаемое разделение механизмов в условиях диффузионного режима существования стационарного и импульсного разрядов,
изучение пространственно-временной эволюции параметров неравновесной плазмы, создаваемой на диэлектрической антенне новой разновидностью самостоятельного поверхностного СВЧ-разряда, а также исследование газодинамических возмущений, возникающих в условиях изучаемого разряда,
реализация быстрого плазменно-стимулированного воспламенения и горения газообразных и жидких углеводородов с помощью неравновесной низкотемпературной плазмы поверхностного СВЧ-разряда в неподвижном воздухе и высокоскоростных газовых потоках,
проведение математического моделирования с целью выявления основного механизма, ответственного за воспламенение углеводородного топлива в условиях газоразрядной плазмы, и с целью изучения возможности уменьшения локального коэффициента турбулентного трения с помощью поверхностного СВЧ-разряда
Методы исследования В ходе выполнения диссертации использовался широкий набор методов исследования с применением следующего диагностического оборудования монохроматоры и спектрографы с цифровой регистрацией спектра, блок зондовои диагностики с цифровой регистрацией вольт-амперных характеристик двойного и одиночного зондов, высокоскоростная камера, установка теневой диагностики, рефракционные лазерные датчики, система измерения проводимости пламени, цифровые фотоаппараты и видеокамеры, цифровые осциллографы, компьютеры Для решения поставленных задач применялись как бесконтактные, так и контактные диагностические методы Исследования проводились, как в разряде постоянного тока, так и в режиме импульсной модуляции разрядного тока, а также в условиях импульсного самостоятельного поверхностного СВЧ-разряда Измерения основных параметров плазмы проводились с временным и пространственным разрешением Применение импульсного разряда позволяло изучить временной ход основных параметров плазмы в активной фазе разряда, а также в стадии послесвечения, где процессы могут быть "разрешены" во времени
Пространственно-временное распределение концентраций атомов многокомпонентных смесей инертных газов определялось по относительным интенсив-ностям спектральных линий атомов примесей и буферного газа Функция распределения электронов по энергиям определялась из вольтамперных характеристик тока на зонд с последующей обработкой по методу регуляризации А Н Тихонова и из вторых производных по потенциалу зондового тока Временной ход напряженности электрического поля в плазме определялся по разности потенциалов пространства двух зондов, расположенных на фиксированном расстоянии друг от друга Концентрация метастабильных атомов измерялась методом поглощения с учетом сверхтонкой структуры спектральных линий Для получения информации о кинетике убегающих электронов на начальной стадии импульсного разряда использовались зондовый метод, метод задерживающих потенциалов и метод селекции электронов по скоростям с помощью поперечного магнитного поля Концентрация заряженных частиц в послесвечении измерялась методом зондирующего импульса малой амплитуды и длительности При измерении радиального распределения ионов примеси использовался метод С Д Вагнера, основанный на теории тока на зонд в двухкомпонентной плазме Динамика пространственного перераспределения компонентов бинарной пеннинговской смеси исследовалась по изучению времени релаксации метастабильных атомов буферного газа в стадии деионизации плазмы
Общий вид поверхностного СВЧ-разряда и динамика его развития
фиксировались с использованием скоростной цифровой фотокамеры Теневое
фотографирование использовалось для визуализации газодинамических
возмущений (ударные волны, каверны плотности), возникающих при создании
поверхностного СВЧ-разряда Температура газа определялась
спектроскопическим методом, основанным на регистрации распределения интенсивностей линий вращательной структуры полос двухатомных молекул N2, CN, Нг и С2 При измерении временного хода температуры газа использовался полихроматор на базе двух монохроматоров с фотоэлектронными умножителями в качестве приемников излучения При измерении средней за длительность СВЧ-импульса температуры газа использовался спектрограф с ПЗС линейкой в качестве приемного устройства излучения Концентрация электронов измерялась зондовым методом с использованием как одиночного, так и двойного зондов Концентрация электронов в плазме поверхностного СВЧ-разряда в воздухе измерялась также спектроскопическим методом по регистрации штарковского уширения спектральной линии Нр с длиной волны Я=486,1 нм с учетом таких уширяющих факторов, как аппаратная функция монохроматора, эффект Доплера, внешний микроволновой эффект Штарка и влияние ширины входной щели монохроматора Период индукции определялся несколькими способами, а именно по минимальной длительности СВЧ-импульса, приводящего к появлению
характерного свечения пламени, по резкому возрастанию интенсивности свечения молекулярной полосы возбужденного радикала СН с длиной волны канта 431,5 нм (полоса (0,0) перехода А2А->Х2п), по времени появления сигнала с двойного зонда, по времени возникновения тока через плоский конденсатор Воспламенение высокоскоростного потока детектировалось также по резкому изменению общего вида спектра излучения плазмы и по резкому увеличению температуры газа
Научная новизна работы заключается в следующем
впервые выполнено комплексное исследование явлений переноса, определяющих степени радиального и аксиального разделений компонентов в бинарных и тройных смесях инертных газов в положительном столбе газового разряда,
впервые экспериментально показана взаимосвязь аксиального и радиального разделения компонентов смесей инертных газов в положительном столбе газового разряда,
впервые обнаружено явление уменьшения эффективной диффузионной длины разряда для атомов примеси, оказывающее существенное влияние на динамику радиального разделения компонентов смеси,
предложен и реализован высокопроизводительный, экологический, безотходный, плазменный метод очистки технического гелия,
впервые в широком диапазоне давлений воздуха (р= 10"3- 103Торр) выполнено комплексное систематическое исследование параметров низкотемпературной плазмы, создаваемой новой разновидностью СВЧ-разряда, поддерживаемого поверхностной волной на диэлектрических антеннах, а также газодинамических возмущений, возникающих в условиях изучаемого разряда,
впервые реализовано быстрое плазменно-стимулированное воспламенение и горение газообразных (пропан) и жидких (спирт, бензин, керосин) углеводородов в условиях поверхностного СВЧ-разряда в неподвижном воздухе и высокоскоростных газовых потоках и проведено комплексное систематическое исследование этих процессов,
на основе математического моделирования показано влияние плазменных эффектов на быстрое воспламенение углеводородного топлива в условиях низкотемпературной плазмы
Эти результаты являются оригинальными и получены впервые Достоверность полученных результатов Экспериментальные результаты получены с помощью комплекса независимых диагностических методик на различных экспериментальных установках, подтверждаются сравнением измеренных величин с результатами теоретических и экспериментальных работ других исследователей в России и за рубежом, а также данными численного моделиро-
вания исследуемых явлений Таким образом, полученные результаты являются вполне обоснованными и достоверными
Личный вклад автора Вклад соискателя в работы, написанные в соавторстве и вошедшие в диссертацию, является определяющим Автором по научному направлению, связанному с изучением физических процессов в многокомпонентных смесях инертных газов, сформулирована постановка проблемы, разработаны и созданы экспериментальные установки, проведены комплексные экспериментальные исследования и численное моделирование, выполнен анализ полученных результатов По научному направлению, связанному с изучением физических процессов в химически активных газах, автором проведено систематическое исследование свойств новой разновидности поверхностного СВЧ-разряда в широком диапазоне условий его существования, впервые осуществлено применение данного разряда для быстрого воспламенения жидких углеводородов, поставлены задачи для численного моделирования влияния поверхностного СВЧ-разряда на характеристики погранслоиного течения и на воспламенение пропан-воздушного сверхзвукового потока, проведен анализ влияния плазменных эффектов на процесс быстрого воспламенения в условиях низкотемпературной плазмы, а также анализ результатов численного моделирования влияния поверхностного СВЧ-разряда на характеристики погранслоиного течения
Практическая значимость работы Полученные в работе данные о степени пространственного разделения компонентов бинарных и тройных смесей инертных газов и времени установления стационарного уровня разделения в зависимости от параметров разряда могут быть использованы для оптимизации работы существующих устройств и для целенаправленной разработки и конструирования новых приборов, использующих в качестве рабочего вещества многокомпонентные смеси газов Полученные в диссертации результаты явились фундаментальной основой для разработки и создания лабораторного прототипа разделительной установки На способ и устройство для очистки газов, преимущественно инертных, от примесей автором получен патент
Результаты, касающиеся поверхностного СВЧ-разряда, представляют не только академический интерес, но являются научной базой для выработки рекомендаций по использованию газоразрядной плазмы при создании летательных аппаратов нового поколения, для оценки влияния плазменных образований на по-гранслойное течение и ускорение воспламенения
Квалификационная ценность результатов исследований признана российским и международным научными сообществами, в частности, посредством предоставления грантов Российского Фонда Фундаментальных Исследований (проекты РФФИ № 02-02-17116, № 05-02-16532, № 05-02-30054), грантов Международного Научно-Технического Центра (проекты МНТЦ №443, №1866, №2248) и Нидерландского научного общества (проект NWO № 047-016 019)
Апробация работы Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на ряде международных и национальных конференций, симпозиумах, рабочих семинарах и совещаниях, в том числе на Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы (ФНТП, Киев, 1979, Ленинград, 1983, Киев, 1986, Минск, 1991, Петрозаводск, 1995), на Европейских симпозиумах по атомно-молекулярным столкновениям в ионизованных газах (ESCAMPIG - Дубровник, 1980, Оксфорд, 1982, Бари, 1984, Орлеан, 1990, Санкт-Петербург, 1992, Дублин, 1998), на Международных конференциях по явлениям в ионизованных газах (ICPIG - Прага, 1973, Минск, 1981, Дюссельдорф, 1983, Сванси, 1987, Нью-Йорк, 1995, Тулуза, 1997), на Всесоюзных конференциях по электрон-атомным столкновениям (ВКЭАС - Ленинград, 1981, Чебоксары, 1991), на Всесоюзной конференции по генераторам низкотемпературной плазмы (Фрунзе, 1983), на Всесоюзном совещании по физике электрического пробоя газов (Тарту, 1984), на Всесоюзной конференции по процессам ионизации с участием возбужденных атомов (Ленинград, 1988), на Международных конференциях "Мощное СВЧ излучение в плазме" (Strong microwave in plasmas - Звенигород, 1994, Нижний Новгород, 1990, 2000, 2003, 2005), на Международных рабочих семинарах "СВЧ-разряды основные свойства и применения" (Microwave discharges Fundamentals and applications -Франция, Аббей, Рояль Фонтевро, 1997, Звенигород, 2000, 2006), на Международных совещаниях по магнитной и плазменной аэродинамике в аэрокосмических приложениях (Magneto-plasma-aerodynamics in aerospace applications - Москва, 2000, 2004, 2005, 2007), на Международных рабочих семинарах по физике слабо-ионизованных газах (Weakly Ionized Gases Workshops - Анахайм, 2001, Рино,
2004, 2005, 2006, 2007), на Международном симпозиуме по плазмохимии (Plasma Chemistry - Орлеан, 2001), на Международном симпозиуме по теоретической и прикладной плазмохимии (ISTAPS - Иваново, 2002), на Международной конференции по физике низкотемпературной плазмы (PLTP - Киев, 2003), на Международных симпозиумах "Термохимические и плазменные процессы в аэродинамике" (Санкт-Петербург, 2003, 2004, 2006), на Международной конференции по микро- и наноэлектронике (Micro- and nanoelectronics - Москва-Звенигород, 2003), на Международных конференциях по физической электронике (Махачкала, 1999,
2006), на научных школах-конференциях "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики" (Алушта, 2004, 2005, 2006), на Межгосударственном симпозиуме по радиационной плазмодинамике (Москва, 1997), на Звенигородских конференциях по физике плазмы и УТС (Звенигород, 2000, 2001, 2003, 2006), на Международной конференции по термохимическим и газодинамическим явлениям (Thermophysical and gasdynamical phenomena - Киев, 2006), на научной конференции Московского государственного университета "Ломоносовские чтения" (секция газодинамика, термодинамика и ударные волны, Москва, 2007) и на научных семинарах кафедры математики физического факультета МГУ имени
М.В. Ломоносова, кафедры оптики физического факультета Ленинградского государственного университета, лаборатории физики плазмы Института общей физики РАН, Института проблем механики РАН, кафедры физической электроники физического факультета МГУ имени М.В Ломоносова.
Публикации. Основные результаты, включенные в диссертацию, представлены в 75 научных публикациях, в том числе: в 1 монографии, в 25 статьях в реферируемых научных журналах, в 1 патенте, в 46 статьях е книгах, научных сборниках, материалах международных и российских конференций. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.
Объем и структура работы. Основное содержание диссертации изложено на 367 страницах машинописного текста, включая 194 рисунка и 6 таблиц Работа состоит из введения, шести глав и заключения, в котором сформулированы основные выводы. Список цитируемой литературы содержит 368 наименований.
