Неидеальная термическая пылевая плазма: теория, эксперимент, моделирование О.С. Ваулина, Д.И. Жуховицкий, О.Ф. Петров, В.Е. Фортов

Для термической плазмы, по определению, характерно: 1) наличие локального ионизационного равновесия в окрестностях частиц; 2) ионизация частиц обусловлена термоэмиссией электронов. Пионерская работа – Sugden, Thrush (1951). При температуре T = 2000 K и концентрации электронов n e = 10 8 –10 12 см –3 заряд частицы с R = 10 –4 см Z ~ 10 3 e >> 1, поэтому велик параметр межчастичного взаимодействия т.е. реализуется сильнонеидеальная плазма. При этом параметры взаимодействия электрон–электрон и электрон–частица могут быть малы: Ячеечная модель: плазма делится на совокупность сферических ячеек с радиусом В пылевой плазме возникает ближнее упорядочивание частиц, аналогичное присутствующему в жидкости. Каково минимальное значение p, достаточное для упорядочивания частиц?

Микрофотографии проб пылевых частиц в факеле алюминийсодержащих топлив (Вишняков, Драган)

Как показывает численное моделирование дебаевской системы, т.е. частиц, потенциал взаимодействия которых записывается в юкавском виде на линии плавления выполняется соотношение О кристаллизации свидетельствует резкое падение коэффициента самодиффузии частиц.

Кривая кристаллизации в дебаевской системе (численное моделирование)

Источник термической плазмы и средства зондовой диагностики

Схема оптических определений размеров, концентрации и пространственных структур пылевых частиц

Как показали диагностические измерения, при T = 1700 K, n p = 5·10 7 см –3, R = 8·10 –5 см, концентрации ионов и электронов в плазме составляют, соответственно, 10 9 и 2.5·10 10 см –3. Таким образом, можно пренебречь ионизацией продуктов сгорания, и считать, что в эксперименте реализуется плазма положительно заряженных пылевых частиц и эмитированных ими электронов. Параметр неидеальности для этой системы p = 120 достаточно велик для образования ближнеупорядоченной структуры частиц.

Бинарная корреляционная функция для частиц CeO 2 в воздушной струе ( 1 ) и плазме: 2170 K ( 2 ) и 1700 K ( 3 )

Усредненные теоретические и экспериментальные бинарные корреляционные функции: 1 –, 2 –, 3 –, 4 –, 5 –, 6 –, 7 –, 8 – экспериментальная бинарная корреляционная функция, – среднее межчастичное расстояние

Распределение по относительному расстоянию для частиц CeO 2 в пылевой плазме

Границы существования ячеечной структуры в потоке пылевой плазмы. Диаметр трубы равен 2 м. Кривая 1 соответствует R = 0.5 мкм, 2 – 1 мкм, 3 – 2 мкм. Пунктир определяет границу области турбулентного течения ( Re = 2000 )

Рассмотрим сильнонеидеальную систему частиц и эмиттированных ими электронов. Распределение заряда в ячейке определяется уравнением Пуассона–Больцмана: Если работа выхода из вещества частиц достаточно мала, так что выполняется условие L > L 2, где L = ln(n es /n e ), L 2 = –ln(2 n p R 3 ), то частица окружена тонким слоем электронов, сильно экранирующим ее заряд. Внутри ячейки концентрация электронов почти постоянна и мало отличается от n e, а заряд частицы эквивалентен точечному эффективному заряду, Эффективный заряд не зависит от работы выхода. Следовательно, предел электропроводности термической пылевой плазмы при стремлении работы выхода к нулю оказывается конечным.

Мнимая часть высокочастотной комплексной диэлектрической проницаемости пылевой плазмы, Гц

Статическая электропроводность термической плазмы пылевых частиц и эмиттированных ими электронов определяется по формуле В пределе нулевой работы выхода достигается максимальная электропроводность Она слабо зависит от температуры, поскольку но чувствительна к среднему размеру частиц. Использование пылевой плазмы в качестве рабочего тела энергетических установок перспективно, если приемлем высокий массовый расход частиц.

Электропроводность плазмы с частицами CaO как функция относительного весового расхода порошка. Эксперимент (Зимин, Михневич, Попов): темные кружки – 2200 K, светлые квадраты – 2400 K, светлые ромбы – 2530 K. Кривые теоретический расчет

Электропроводность плазмы продуктов сгорания, содержащей пылевые частицы и калиевую присадку: 1 – n a = n p, 2 – равные массовые доли частиц и присадки

Спасибо за внимание!