Механізми міжфазної взаємодії і структуризація гетерогеної термічної плазми

,

де - число часток у даній фракції.

Частки великої фракції () утворять чітку гексагональну структуру (як і на рис.20), що не має потреби в спеціальному дослідженні. Структуризація часток середньої () і дрібної () фракцій досліджувалася стандартним методом. Парні функції розподілу використовувалися для розрахунку структурного фактора, якій є фур'є-образом парній функції

(23)

Розподіл структурного фактора для часток дрібної (крива 1) і середньої (крива 2) фракцій. Максимум при відповідає структуризації c просторовим періодом ~5 мкм, обумовленим частками великої фракції. Однак частки середньої фракції утворять свою структуру з характерним максимумом, що відповідає просторовому періоду близько 0,4 мкм. Це означає, що якби в системі не було часток великої фракції, то частки середньої фракції утворили б плазмовий кристал з постійною ґратки ~0,4 мкм і обумовили б розподіл часток дрібної фракції у вигляді рідиноподібної структури. Таким чином, розглянута плазмова структура являє собою дві вкладені одна в іншу кристалічні ґратки з постійними 5 мкм і 0,4 мкм.

Сили, що діють між частками, характеризуються деякою потенційною енергією , що пов'язана з парною функцією розподілу співвідношенням . У стані рівноваги взаємодія між частками повинна описуватися парним потенціалом, що містить у собі ефекти екранування і взаємодію плазми із частками. У першому наближенні цей парний потенціал взаємодії часток визначається рівнянням

. (24)

Мінімум парного потенціалу для часток дрібної фракції припадає на 5 мкм, що відповідає постійної ґратки, утвореної частками великої фракції. Парний потенціал для часток середньої фракції має більш складний характер, що визначається впливом власної взаємодії часток середньої фракції.

Параметр зв'язку для взаємодії часток різних фракцій дорівнює: , і . Звідси витікає, що тільки частки середньої фракції мають тенденцію до структуризації. Взаємодії часток великої фракції між собою () і, тим більше, дрібної фракції (), недостатньо для формування упорядкованої структури. Однак експериментальні дані свідчать, що частки великої фракції упорядковані. Розрахуємо параметр зв'язку між фракціями: , і . Параметр зв'язку часток великої і середньої фракцій достатній для утворень упорядкованої структури.

Таким чином, можна зробити висновок, що утворення упорядкованої структури в розглянутій системі ініціюється частками середньої фракції (). При цьому, через сильну взаємодію між цими частками і частками великої фракції (), формуються дві вкладені кристалічні ґратки, у вузлах якої розташовуються частки великої і середньої фракцій. Властне, можна вважати, що кристалічні ґратки тільки одні - утворені частками середньої фракції з постійною 0,4 мкм. У такому випадку частки великої фракції є дефектами ґратки, які упорядковані в гексагональну структуру з постійною 5 мкм. Частки дрібної фракції не утворять упорядкованої структури, але займають вільні рівновіддалені місця між частками, і утворюють структуру типу рідини. У результаті проведеного аналізу ми доходимо висновку, що в складній полідисперсній гетерогенній плазмі упорядковані структури можуть існувати одночасно у двох фазах - у вигляді псевдокристала і у вигляді псевдорідини.

Висновок

1. Проведено комплексне експериментальне і теоретичне дослідження колективних міжфазних взаємодій у термічній гетерогенній плазмі, що містить полідисперсний пиловий компонент, з використанням концепції узагальненого потенціалу плазми та з урахуванням зміщення іонізаційної рівноваги плазми на міжфазної границі. Розвиток концепції узагальненого потенціалу плазми дозволив створити нові теоретичні моделі міжфазної взаємодії в гетерогенній плазмі і побудувати модель структуризації комплексної плазми.

2. Побудовано оригінальну модель термоемісійної плазми, яка заснована на врахуванні взаємної нейтралізації частини заряду конденсованих часток електронним газом, що дозволяє описувати взаємодію полідисперсної системи часток в електронному газі. Визначено механізм виникнення сил, які зближують однойменно заряджені конденсовані частки. Доведена можливість утворення в термоемісійній плазмі експериментально виявлених негативно заряджених часток, що пояснюється взаємодією часток з нейтралізованим фоном. На прикладі фотоемісійної плазми показано, що теорія нейтралізованих зарядів дозволяє задовільно описувати будь-яку систему заряджених часток в електронному газі.

3. Продемонстровано вплив переносу заряду через поверхню розподілу фаз на критичний розмір зародків у термічній гетерогенній плазмі. Показано, що збільшення температури факела при спалюванні порошків металів у ламінарному двофазному факелі приводить до зменшення розмірів часток конденсованої фази, що пов'язане зі збільшенням позитивного заряду конденсованих зародків. Як випливає з моделі фотоемісійної плазми, до аналогічного результату може привести опромінення факела короткохвильовим випромінюванням.

4. Модифіковано параметр неідеальності (параметр зв'язку) для полідисперсних систем конденсованих часток у комплексній плазмі, заснований на використанні концепції узагальненого потенціалу плазми. Показано, що зі збільшенням ступеня неідеальності комплексної плазми електростатичний тиск на поверхню розподілу фаз прямує до насичення, звідки слідує, що в сильно неідеальній плазмі електростатична взаємодія пилових часток перестає залежати від поверхневого потенціалу і, відповідно, заряду часток. Таким чином, якщо при малих взаємодіях тенденція плазми до самоорганізації руйнується поширенням коливань у системі, то при сильних взаємодіях поширення коливань зменшується, що приводить до можливості структуризації пилового компонента.

5. Розроблено оригінальну фізичну модель утворення нерівноважних носіїв заряду, обумовлених поділом зарядів газової фази в електричному полі зарядженої конденсованої частки, що приводить до локальної зміни ступеня іонізації плазми. Показано, що наявність нерівноважних носіїв заряду навколо зарядженої частки впливає на величину потенційного бар'єра на міжфазній межі і змінює профіль просторового розподілу електронів і іонів в області просторового заряду; отримані аналітичні вирази для опису просторового розподілу концентрацій електронів і іонів в області об'ємного заряду.

6. Вивчено вплив зміщення іонізаційної рівноваги на вольт-амперну характеристику зонда в термічній плазмі. Продемонстровано аномальну залежність іонного струму від спадання напруги, коли при позитивній напрузі концентрація позитивних іонів в області просторового заряду збільшується, а при негативному - зменшується. Показано, що протікання постійного струму в термічній плазмі атмосферного тиску супроводжується зміною ступеня іонізації плазми і зумовлює просторовий розподіл нерівноважних електронів і іонів уздовж ліній струму. Нерівноважна іонізація, викликана протіканням струму, впливає на величину спаданням напруги на контакті електрод-плазма.

7. Показано, що в комплексній термічній плазмі потоки нерівноважних носіїв заряду в області просторового заряду забезпечують зміну тиску газової фази на поверхню конденсованої частки, що можна визначити як тиск нерівноважних носіїв. Цей тиск нерівноважних носіїв заряду приводить до виникнення сили зближення однойменно заряджених часток, що, протидіючи силі електричного відштовхування, забезпечує деякий рівноважний просторовий розподіл конденсованих часток у термічній плазмі.

8. Розвиток оригінальної моделі нерівноважної іонізації в області просторового заряду дозволив описати далеку взаємодію конденсованих часток у комплексній плазмі. Відповідно до цієї моделі, електричні сили діють тільки в межах шару об'ємного заряду, однак їх наявність ініціює зміну ступеня іонізації плазми, тобто приводить до зміни термодинамічних потенціалів. Таким чином, збурювання, внесене в плазму однією часткою, передається сусіднім часткам і змінює тиск плазми на поверхню сусідніх часток. Причому, оскільки частки мають різні розміри і заряди і розташовані нерівномірно, тиск плазми на поверхню будь-якої частки виявляється анізотропним, що викликає виникнення сил, що зближують або відштовхують конденсовані частки.

9. Уперше побудована математична модель колективної взаємодії конденсованих часток у термічній гетерогенній плазмі. Проведено симуляцію структурування часток, результати якої збігаються з експериментальними даними. На підставі експериментальних даних і комп'ютерного моделювання показано, що в гетерогенній термічній плазмі існує тенденція до утворення структурованих агломератів конденсованих часток. При трьохмодовому дисперсному розподілі конденсованих часток структуризація пилового компоненту визначається частками середньої фракції. Частки великої фракції утворять підґратку дефектів, а частки дрібної фракції займають вільний простір у місцях рівноваги сил і утворюють структуру типу рідини. Таким чином, у полідисперсній гетерогенній плазмі можливе одночасне існування упорядкованих структур у різних фазах - псевдокристалічної і псевдорідкой.

Список опублікованих робіт з теми дисертації

1. Вишняков В.И. Свойства изотермического контакта металл - плазма продуктов сгорания. // Физика аэродисп. систем. - Киев-Одесса: Выща школа. - 1989. - №32. С. 147-157.

2. Вишняков В.И. Агломерация частиц в термической плазме. // Физика аэродисп. систем. - Одесса: Астропринт. - 2003. - в. 40. - С. 263-273.

3. Вишняков В.И. Статическая диэлектрическая проницаемость слоя термической плазмы. // Физика аэродисп. систем. - Одесса: Астропринт. - 2004. - в. 41. - С. 285-293.

4. Vishnyakov V.I., Dragan G.S. Electrostatic interaction of charged planes in the thermal collision plasma: Detailed investigation and comparison with experiment. // Phys. Rev. E. - 2005. - V. 71, №1. - P. 016411.

5. Vishnyakov V.I. The bulk plasma potential as a tool for dust grains interactions describing // Ukr. J. Phys. - 2005. - V. 50., №2. - P. 198-202.

6. Vishnyakov V.I. Interaction of dust grains in strong collision plasmas: Diffusion pressure of nonequilibrium charge carriers // Phys. Plasmas - 2005 - V. 12, №10. - P. 103502.

7. Vishnyakov V.I., Dragan G.S., Ordered spatial structures of dust grains in the thermal plasma // Phys. Rev. E. - 2006. - V. 73, №2. - P. 026403.

8. Vishnyakov V.I. Nonequilibrium Charge Carriers in Thermal Plasma-Metal Contact // Ukr. J. Phys. - 2006. - V. 51, №4. - P. 352-357.

9. Vishnyakov V.I. Electron and ion number densities in the space charge layer in thermal plasmas \\ Phys. Plasmas. - 2006. - V. 13, №3. - P. 033507.

10. Vishnyakov V.I. and Dragan G.S. Thermoemission plasmas: Theory of neutralizing charges // Phys. Rev. E - 2006. - V. 74, №3. - P. 036404.

11. Вишняков В.И., Драган Г.С. Область пространственного заряда в дымовой плазме // Вестник ОНУ. Физика. - 2006. - Т. 11, вып. 7. - С. 19-38.

12. Vishnyakov V.I. Probe in the thermal collision plasma // Phys. Plasmas. - 2007. - V. 14, №1. - P. 013502.

13. Вишняков В.И., Драган Г.С. Фотоэмиссионная зарядка пылевых частиц в аэрозоле // Ядерная и радиационная безопасность. - 2007. - Т. 10. - №3. - С. 91-94.

14. Вишняков В.И., Драган Г.С. Нелинейные взаимодействия конденсированных частиц в дымовой плазме // Физика аэродисп. систем. - Одесса: Астропринт. - 2006. - в. 43. - С. 110-120.

15. Вишняков В.И., Грызунова Т.В., Чесноков М.Н. Плавающий потенциал горящей частицы магния // Физика аэродисп. систем. - Одесса: Астропринт. - 2005. - в. 42. - С. 117-122.

16. Vishnyakov V.I. Flowing of the direct microcurrent in thermal plasmas // Ukr. J. Phys. - 2007. - V. 52, №4. - P. 359-366

17. Vishnyakov V.I., Dragan G.S. Coupling parameter for the low-temperature plasma with condensed phase // Condensed Matter Phys., - 2007. - V. 10, №2. P. 201-208.

18. Vishnyakov V.I., Dragan G.S., Evtuhov V.M. Nonlinear Poisson-Boltzmann equation in spherical symmetry // Phys. Rev. E. - 2007. - V. 76, №3. - P. 036402.

19. Вишняков В.И., Драган Г.С. Агломерация пыли в аэрозоле под действием жесткого излучения // Ядерная и радиационная безопасность. - 2007. - Т. 10. - №4. - С. 95-100.

20. Doroshenko J., Florko A., Poletaev N., Vishnyakov V. Plasma of the iron powder combustion // Phys. Plasmas. - 2007. - V. 14, No. 9. - P. 094503.

21. Vishnyakov V.I., Dragan G.S., Florko A.V., The Formation of Negatively Charged Particles in Thermoemission Plasmas // JETP - 2008. - V. 106, №1. - P. 182-186

22. Вишняков В.И., Агеев Н.Д., Киро С.А., Костышин Ю.Н., Ткаченко В.Б. Способ очистки водной поверхности от нефтепродуктов. Патент на изобретение Украины UA 68380. - 2004.

Анотація

Вишняков В.І. Механізми міжфазної взаємодії і структуризація гетерогенної термічної плазми. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктори фізико-математичних наук за фахом 01.04.14 - теплофізика і молекулярна фізика. - Одеський національний університет імені І.І. Мечникова, Одеса, 2008.

Дисертація присвячена вивченню механізмів структуризації термічної гетерогенної плазми. Розглянуто два види термічної гетерогенної плазми - термоемісійна плазма, що складається із часток і емітованих ними електронів і комплексна плазма, що додатково містить атоми присадки лужних металів, що легко іонізуються. Запропоновано дві оригінальні теоретичні моделі: модель нейтралізованих зарядів - для опису термоемісійної плазми, і модель нерівноважної іонізації - для опису комплексної плазми. Обидві моделі досить добре узгоджуються з експериментальними даними і дозволяють описувати далеку взаємодію конденсованих часток і структуризацію термічної гетерогенної плазми. Побудовано математичну модель колективної взаємодії конденсованих часток у термічній гетерогенній плазмі. Проведено комп'ютерну симуляцію структурування часток, результати якої співпадають з експериментальними даними. На підставі експериментальних даних і комп'ютерного моделювання показано, що в гетерогенній термічній плазмі існує тенденція до утворення структурованих агломератів конденсованих часток.

Ключові слова: термічна плазма, міжфазна взаємодія, нерівноважна іонізація, упорядковані структури.

Abstract

Vishnyakov V.I. Mechanisms of interphase interaction and structurization of heterogeneous thermal plasmas. - Manuscript.

Thesis for scientific degree of doctor in physics and mathematics by specialty 01.04.14 - thermodynamics and molecular physics. - Mechnikov Odessa National University, Odessa, 2008.

Thesis is devoted to studying of mechanisms of the thermal heterogeneous plasma structurization. Two kinds of the thermal heterogeneous plasma - the thermoemission (dust-electron) plasma which consists of the dust (condensed) grains and the electrons emitted by them, and the complex plasma, which in addition contains the easily ionizable atoms of alkaline metals addition agent, have been considered. Two original theoretical models are offered: the model of the neutralized charges - for describing the dust-electron plasma, and the model of nonequilibrium ionization - for describing the complex plasma. Both models well corresponds to the experimental data and allows describing the long-range interaction of the dust grains and the thermal heterogeneous plasma structurization. The mathematical model of collective interaction of the dust grains in the thermal heterogeneous plasma is constructed. The computer simulation of the dust grains structurization which corresponds to the experimental data is made. The tendency to formation of the structured agglomerates of the dust grains has been demonstrated by the experimental data and computer model operation.

Keywords: thermal plasma, interphase interaction, nonequilibrium ionization, ordered structures.

Аннотация

Вишняков В.И. Механизмы межфазного взаимодействия и структуризация гетерогенной термической плазмы. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.14 - теплофизика и молекулярная физика. - Одесский национальный университет имени И.И. Мечникова, Одесса, 2008.

Диссертация посвящена изучению механизмов структуризации термической гетерогенной плазмы. Рассмотрены два вида термической гетерогенной плазмы - термоэмиссионная плазма, которая состоит из частиц и эмитированных ими электронов и комплексная плазма, которая дополнительно содержит легкоионизируемые атомы присадки щелочных металлов. Предложены две оригинальные теоретические модели: модель нейтрализованных зарядов - для описания термоэмиссионной плазмы, и модель неравновесной ионизации - для описания комплексной плазмы.

Суть модели нейтрализованных зарядов заключается в предположении, что основная часть электронов в объеме термоэмиссионной плазмы распределена равномерно с некоторой невозмущенной концентрацией. Только в узком слое у поверхности конденсированных частиц происходит отклонение концентрации электронов от невозмущенного значения. Электроны невозмущенной области плазмы и часть заряда конденсированных частиц создают нейтрализованный фон, относительно которого формируются потенциальные барьеры у поверхности частиц. Таким образом, потенциал нейтрализованного фона представляет собой некоторый обобщенный потенциал для всего объема плазмы, относительно которого описывается распределение потенциала в окрестности отдельно взятых частиц. Такой подход позволяет описывать полидисперсную систему конденсированных частиц, каковой и является экспериментально наблюдаемая термоэмиссионная плазма. При этом взаимодействие конденсированных частиц определяется не абсолютным значением их заряда, а относительным значением поверхностного потенциала, который может быть как положительным, так и отрицательным. Приведены экспериментальные данные различных авторов, которые успешно описываются в рамках модели нейтрализованных зарядов. На примере фотоэмиссионной плазмы показано, что модель нейтрализованных зарядов применима и к другим системам, состоящим из электронов и заряженных частиц.

Модель неравновесной ионизации описывает комплексную плазму атмосферного или более высокого давления. Такая плазма является существенно столкновительной, поэтому установление ионизационного равновесия происходит гораздо быстрей, чем установление диффузионно-дрейфового равновесия. Это означает, что в окрестности заряженной конденсированной частицы каждому значению потенциала соответствует свое значение ионизационного равновесия, отличное от ионизационного равновесия в невозмущенной области плазмы, что приводит к пространственной неоднородности степени ионизации плазмы. Неоднородность степени ионизации изменяет профиль пространственного распределения электронов и ионов в окрестности заряженной частицы, вызывая отклонения от равновесного значения. Неравновесная ионизация плазмы в окрестности заряженной частицы вызывает поток амбиполярной диффузии электронов и ионов, который управляется электрическим полем, создаваемым частицей. Перенос импульса этим амбиполярным потоком изменяет давление газовой фазы плазмы на поверхность конденсированной частицы. Ионизационное возмущение, вызываемое отдельной частицей, не распространяется на весь объем плазмы, а затухает пропорционально квадрату расстояния и, достигнув соседних частиц, оказывает влияние на ионизационное равновесие в их окрестности. В термической комплексной плазме (плазме продуктов сгорания) распределение конденсированных частиц по размеру имеет полидисперсный характер, поэтому в окрестности некоторой выбранной частицы всегда будут находиться частицы разного размера и, соответственно, с разным зарядом. Следовательно, ионизационное возмущение, передаваемое от соседних частиц данной выбранной, различно в разных направлениях. Это вызывает анизотропию степени ионизации у поверхности выбранной частицы и, как следствие, анизотропию амбиполярных потоков неравновесных носителей заряда и анизотропию давления со стороны газовой фазы. Так возникает сила, которая обеспечивает дальнее взаимодействие частиц, причем эта сила вызывает сближение одноименно заряженных частиц. Ввиду того, что в рассматриваемой плазме частицы сильно экранированы, электрическое взаимодействие между частицами возможно только на расстояниях в несколько микрон. Поэтому частицы под действием сил, вызванных неоднородной ионизацией, сближаются до тех пор, пока не начнут действовать электрические силы. В результате действия конкурирующих сил устанавливается некоторое динамическое равновесие в пространственном расположении конденсированных частиц. Методом молекулярной динамики проведено компьютерное моделирование движения заряженных частиц в плазме с учетом неоднородной ионизации. Показано, что частицы стремятся образовать упорядоченные структуры, которые совпадают со структурами, наблюдаемыми экспериментально. На основании экспериментальных данных и компьютерного моделирования показано, что в гетерогенной термической плазме существует тенденция к образованию структурированных агломератов конденсированных частиц. Причем, при трехмодовом распределении частиц по размерам, одновременно существуют как псевдокристаллические, так и псевдожидкие структуры, образованные частицами разных фракций.

Ключевые слова: термическая плазма, межфазное взаимодействие, неравновесная ионизация, упорядоченные структуры.

Размещено на Allbest.ru