исследование быстрого нагрева воздуха атмосферного

XXXVIII Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС, 14 – 18 февраля 2011 г.
ИССЛЕДОВАНИЕ БЫСТРОГО НАГРЕВА ВОЗДУХА АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ
НАНОСЕКУНДНЫМ СИЛЬНОТОЧНЫМ РАЗРЯДОМ
Н.А. Попов
НИИ Ядерной физики им. Д.В. Скобельцына, МГУ, Москва Россия, NPopov@mics.msu.su
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] представлены 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(B3Пg) и N2(C3Пu). 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 предиссоциации 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(B3Пg) и N2(C3Пu). 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 оказываются 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(С3Пu,v=0)  N2(B3Пg,v=0). Результаты расчетов свидетельствуют, что после основного
разрядного импульса на временах t = 10 - 30 нс остается еще достаточно много электронновозбужденных молекул азота N2(B3Пg), N2(a'1 u ) и др. Поэтому в относительно низких полях
(E/N < 100 Td), характерных для вторичных разрядных импульсов, помимо реакции e +
N2(Х1 g )  e + N2(С3Пu), возможно дополнительное заселение состояния N2(С3Пu) в реакциях e + N2(B3Пg, a'1 u )  e + N2(С3Пu). Это существенно сказывается на вращательном
распределении состояния N2(С3Пu,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.
Литература.
[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.
1