XXXVIII Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС, 14 – 18 февраля 2011 г.

ИССЛЕДОВАНИЕ БЫСТРОГО НАГРЕВА ВОЗДУХА АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ НАНОСЕКУНДНЫМ СИЛЬНОТОЧНЫМ РАЗРЯДОМ

В последнее время наблюдается повышенный интерес к исследованиям наносекундных сильноточных разрядов, что связано с использованием этих разрядов для воспламенения горючих смесей, решения задач плазменной аэродинамики и др. В работах [1,2] представ-лены результаты экспериментальных исследований параметров наносекундного разряда в потоке горячего воздуха атмосферного давления. Начальная температура достигала 1000 - 1500 К, скорость потока 1 м/c. Разряд горел в импульсно-периодическом режиме с частотой f = 30 кГц. Помимо напряжения и тока разряда, в [1,2] измерялись концентрации электронов, атомов кислорода и населенности состояний N₂(B³П_g) и N₂(C³П_u). Были также проведены измерения динамики нагрева газа в канале исследуемого разряда.

В данной работе представлены результаты моделирования параметров разрядного канала для условий [1,2]. Расчеты проводились в рамках одномерной осесимметричной модели, описание которой приведено в [3]. Кинетический блок модели включал систему процессов, описывающих изменение концентраций основных заряженных и нейтральных компонент N₂ : O₂ смеси, колебательное возбуждение и нагрев газа в зоне действия разряда. Для описания «быстрого» нагрева использовалась модель, учитывающая тепловыделение в реакциях пре-диссоциации сильновозбужденных электронных состояний кислорода (которые заселяются либо электронным ударом, либо при тушении возбужденных состояний N₂), в реакциях диссоциации N₂, в процессе тушения возбужденных атомов O(¹D) молекулами азота и др.

Результаты проведенных расчетов адекватно описывают данные экспериментов [1,2] по динамике населенности состояний N₂(B³П_g) и N₂(C³П_u). Максимальные значения плотности этих частиц достигаются в конце разрядного импульса и составляют 510¹⁶ см^-3 и 610¹⁵ см^-3, соответственно. Концентрация атомарного кислорода достигает [O(³P)] ≈ 10¹⁸ см^-3, что также согласуется с измеренными значениями. В то же время расчетные скорости нагрева газа ока-зываются существенно меньше измеренных: согласно данным [2], увеличение температуры составляет T = 2000 К через 10-20 нс после окончания разряда (при напряжении U = 6.5 кВ), в то время как в расчетах это значение не превышает T = 600 - 800 К.

Для объяснения указанного противоречия был проведен анализ используемой в работе [2] методики определения температуры газа, основанной на данных измерений распределения интенсивности свечения линий вращательной структуры (0-0) перехода 2⁺ системы азота N₂(С³П_u,v=0)  N₂(B³П_g,v=0). Результаты расчетов свидетельствуют, что после основного разрядного импульса на временах t = 10 - 30 нс остается еще достаточно много электронно-возбужденных молекул азота N₂(B³П_g), N₂(a'¹S) и др. Поэтому в относительно низких полях (E/N < 100 Td), характерных для вторичных разрядных импульсов, помимо реакции e + N₂(Х¹)  e + N₂(С³П_u), возможно дополнительное заселение состояния N₂(С³П_u) в реак-циях e + N₂(B³П_g, a'¹S) ® e + N₂(С³П_u). Это существенно сказывается на вращательном распределении состояния N₂(С³П_u,v=0) и может приводить к значительному завышению величины температуры газа, определенной в рамках используемой в [2] методики.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ № 10-08-00620-a и гранта Президента РФ для ведущих научных школ НШ-3322.2010.2.

1. 
   Stancu G, Kaddouri F., Lacoste D.A., Laux C.O. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2010. № 124002.
   
2. 
   Pai D.Z., Lacoste D.A., Laux C.O. // Plasma Sources Sci. Technol. 2010. V. 19. № 065015.
   
3. 
   Попов Н.А. // Физика плазмы. 2006. T. 32. № 3. C. 264-272.