Диссертация (1097947), страница 75

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 75)

Между результатами расчетов ФРКУ молекулыводорода с использованием уравнений баланса и формулы Больцмана при значениитемпературы первого колебательного уровня Tv  1g   4 эВ, соответствующих времениколебательной релаксации (установления) квазистационарной ФРКУ молекулы водорода 3  105 сек, имеет место хорошее количественное согласие. Время релаксации энергии,запасенной в колебательных степенях свободы молекулы водорода, зависит от числапроцессов ступенчатого возбуждения, учитываемых в кинетической схеме СИМ.

Навременах  D  10-8 сек, в процессе формирования ФРКУ молекулы водорода, наблюдаетсяинтенсивное изменение заселенностейвысокихколебательныхуровнейv  2-14412относительно низких колебательных уровней v  2. На данной стадии временнойэволюции ФРКУ определяющую роль в кинетике низких колебательных уровней играютпроцессыH 2  X 1g , v  0   e  H 2  X 1g , v   e .(4.3.3.1)Заселенности высоких колебательных уровней v  6-14 удовлетворительно совпадают сраспределением Больцмана с колебательной температурой возбуждения Tv 614  X 1g  3700 - 3900 К.

Она слабо изменяется в процессе колебательной релаксации молекулярноговодорода. Эта температура заметно меньше, чем колебательная температура, полученная всильноточном ИТР в азоте [532, 533]. При этом она, как и для условий ИТР в азоте,заметно выше колебательной температуры Tv  X 1g  ( v  0 и 1), увеличивающейся впроцессе релаксации от 380 К до 720 К. ФРКУ молекулы водорода заметно отклоняется отбольцмановского распределения. Полученный результат совпадает с результатамиэксперимента [532, 533] и расчета в ИТР в азоте (параграф 1.5, глава 1).

Подобный«излом» в ФРКУ молекулы азота в основном электронном состоянии также наблюдался вэксперименте и расчетах ФРКУ молекулы азота на начальной стадии нагрева газа втлеющем и контрагированном разрядах [564], а также в СВЧ разряде [657] (параграф 1.5,глава 1). Наличие «излома» в ФРКУ молекулы азота и водорода отражает особенностьвозбуждения колебательных состояний молекул водорода и азота прямым электроннымударом. На более длительных временах колебательной релаксации водорода  D  10-7 –10-6 сек кинетику уровня v  0 определяют столкновения первого и второго родаH 2  X 1g , v  0,1 с электронами. В кинетике уровней v  1 – 14 заметную роль играютпроцессы ступенчатого возбуждения и девозбуждения электронным ударом.

Иерархиюпроцессов для каждого конкретного уровня n  1 – 14 удобно представить в видерекуррентной формы:H 2  X 1g , v  n  1  eH 2  X 1g , v  n   eH 2  X 1g , v  n   e , (4.3.3.2)H 2  X 1g , v  n  1  e . (4.3.3.3)Данный состав процессов (4.3.3.2 и 4.3.3.3), по - видимому, носит универсальныйхарактер. Он, справедлив для молекулярных систем в НТП, в которой доминируютпроцессы ступенчатого возбуждения и дезактивации колебательных уровней молекул встолкновениях с электронами.

На данном промежутке времени ФРКУ молекулы водородапретерпевает заметное изменение: наблюдаемый «излом» в ФРКУ становится менее413выраженным; ФРКУ в результате релаксации подчиняется распределению Больцмана присоотношении температурTv  X 1g  = Tv 614  X 1g  = Te >> Tg . (4.3.3.4)Изменение состава процессов в кинетической схеме модели ступенчатоговозбуждения колебательных уровней молекулы водорода электронным ударом слабовлияет на квазистационарную ФРКУ молекулы водорода (абсолютные значениязаселенностей). Величина времени релаксации заметно зависит от степени полнотыкинетической схемы. Время релаксации является немонотонной функцией числапроцессов. Если в кинетической схеме ограничиваться учетом возбуждения только лишьтрех колебательных уровней v  0  v  n ( n =1–3), то величина времени релаксации 5  105 сек.

С ростом числа процессов n , описывающих переходы v  0  v  n ( n =1–14) значение времени релаксации увеличивается от 5 105 сек до 3 101 сек. Этообусловлено тем, что значение коэффициента скорости возбуждения молекулы водородаэлектронным ударом заметно уменьшается с ростом n . Учет процессов ступенчатоговозбуждения колебательных уровней в кинетической схеме приводит к уменьшениювремени релаксации. При последовательном увеличении числа процессов от 14 до 105 (безучета столкновений второго рода молекул с электронами), что соответствует учетувсевозможных переходов v  0 v  n (здесь n изменяется от v  1 до 14), величинавремени релаксации уменьшается на несколько порядков, приблизительно, от 3 101 секдо 3 105 сек.

Таким образом, для корректного описания процессов колебательнойрелаксации в импульсных разрядах и проточных плазмохимических реакторах, важно,учитывать все возможные переходы vw между колебательными уровнями. Степеньполноты кинетической схемы ступенчатого возбуждения молекул электронным ударомиграет заметную роль в описании кинетики H 2  X 1g , v  в водородном ИТР. При степениколебательной неравновесности vib  H 2   1 зависимости от времени концентраций длявсех колебательных уровней, за исключением уровней v  1–5, имеют монотонныйхарактер: концентрация колебательного уровня v  0 монотонно уменьшается, а значенияконцентраций колебательных уровней v  6 монотонно увеличиваются со временем помере того, как между колебательными степенями свободы молекулы водорода ипоступательными степенями свободы электронами достигается частичное локальноетермодинамическое равновесие. Значения концентраций уровней v  1–5 на начальномэтапе колебательной релаксации увеличиваются, достигая максимумов при  D  5  10-6сек, а затем медленно уменьшаются (рис.227).

Таким образом, система, включающая414колебательные степени свободы молекулы водорода и поступательные степени свободыэлектронов, приблизительно, на временах  D ≤10-4 сек, немонотонно стремится кдинамическому равновесию между данными степенями свободы. Это свидетельствует отом, что для корректного описания временной эволюции системы необходимоиспользовать приближение уровневой колебательной кинетики.На рис. 228 приведены результаты расчетов установления квазистационарнойФРКУ молекулы водорода в основном электронном состоянии 1 g в ИТР с учетомпроцессов (процесс 3.0 и 4.0, таблица 17, параграф 4.3).

Добавление в кинетическую схемупроцессов одноквантового колебательно - поступательного VT - энергообмена междумолекулами водорода слабо влияет на величину времени релаксации ФРКУ молекулыводорода, но приводит к заметному изменению кинетики заселенностей H 2  1g , v  9 при t p  10-8 – 10-7 сек. Квазистационарные значения концентраций H 2  1g , v  9 уменьшаются, а стационарная ФРКУ  v  9  молекулы водорода заметно отклоняется отраспределения Больцмана, рассчитанной при Tv  1g   Te по сравнению с результатамимоделирования,выполненнымисучетомтолько процессов(3.0,таблица17).Колебательные степени свободы молекулы водорода (группа нижних колебательныхуровней v = 0 – 8 состояния 1 g ) находится в частичном локальном равновесии споступательными степенями свободы электронов. Процессы VT - энергообмена междумолекулами водорода обуславливают нарушение равновесия для группы высоколежащихуровней v  9 .

Найденное различие обусловлено высокими значениями коэффициентовскоростей одноквантового колебательно - поступательного VT - энергообмена междумолекулами водорода по сравнению с коэффициентами скоростей, соответствующихстолкновениям первого и второго рода электронов с H 2  1g , v  9  .На рис. 229 приведены результаты расчетов установления квазистационарнойФРКУ молекулы водорода в основном электронном состоянии 1 g в ИТР с учетомпроцессов (3.0–5.0, таблица 17).

Включение в кинетическую схему процессовколебательно - колебательного VV - энергообмена между молекулами водорода приводитк обогащению заселенностей на высоких колебательных уровнях v  9 при t p  10-7 секпо сравнению с теми, которые получены с учетом процессов (3.0 и 4.0, таблица 17). Времяустановления квазистационарной ФРКУ уменьшается и составляет 4  10-7 сек. Во всемдиапазоне колебательных чисел v = 0 – 14 ФРКУ молекулы водорода отклоняется от415распределения Больцмана, рассчитанного при Tv  1g   Te . Колебательная температураTv  1g , v  , соответствующая двум соседним уровням v и v +1, зависит от номераколебательного уровня v .

Для температур справедлива следующая иерархия:Te > Tv  1g , v  > Tg . (4.3.3.4)Таким образом, конкуренция процессов столкновений первого и второго рода электроновс H 2  1g , v  , одноквантового VT  и VV  обмена энергией между молекуламиводорода приводит к нарушению динамического равновесия между колебательнымистепенями свободы молекулы водорода и поступательными степенями свободыэлектронов.Ключевым моментом при моделировании колебательной кинетики молекулыводорода в ИТР является содержание PH (концентрация) в плазмообразующем газеатомарного водорода в основном электронном состоянии и значения уровневыхкоэффициентов скоростей многоквантового колебательно - поступательного VT - обменаэнергией между молекулами и атомами водорода.

Кинетика и время релаксации ФРКУмолекулы водорода зависят от этих параметров. Моделирование колебательной кинетикимолекулы водорода с учетом процессов (3.0 – 6.0, таблица 17) показывает, что сувеличением содержания атомарного водорода PH от 5  10-4% до 5% время установленияуменьшается от 4  10-7 сек до 10-7 сек. Монотонное уменьшение концентрацииH 2  1g , v  с увеличением номера колебательного уровня сменяется на зависимость,которая характеризуется максимумом заселенности на уровне v =11 (рис. 230).Чтобы выяснить роль процессов (3.0 и 14.0, 14.1, 14.2, 14.3, 14.4, таблица 17) вкинетике синглетных состояний молекулы водорода, расчеты выполнены для двухслучаев.

Характеристики

Список файлов диссертации