Образование ультрадисперсных заряженных и нейтральных аэрозолей в элементах проточного тракта и выхлопной струе турбореактивного двигателя тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ



На правах рукописи

Савельев Александр Михайлович

ОБРАЗОВАНИЕ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫХ ЗАРЯЖЕННЫХ И НЕЙТРАЛЬНЫХ АЭРОЗОЛЕЙ В ЭЛЕМЕНТАХ ПРОТОЧНОГО ТРАКТА И ВЫХЛОПНОЙ СТРУЕ ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ

01.04.14 -теплофизика и теоретическая теплотехника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2010

4840696

Работа выполнена в ФГУП «Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова»

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

Старик Александр Михайлович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор

Ватажин Александр Бенцианович

кандидат физико-математических наук, Аветисян Артур Робертович

Ведущая организация:

Энергетический научно-исследовательский институт им. Г.М. Кржижановского, г.Москва

Защита состоится«

14 февраля 2011 года

на заседании диссертационного совета ДС403.010.01 при ФГУП «Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова» по адресу: 111116, г. Москва, ул. Авиамоторная, д. 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП ЦИАМ им. П.И. Баранова. Ваш отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, заверенный печатью, просим высылать по адресу: 111116, г. Москва, ул. Авиамоторная, д. 2, ученому секретарю диссертационного совета ДС 403.010.01.

Автореферат разослан <

30 декабря 2010 года

2010г.

Ученый секретарь

диссертационного совета ДС 403.010.01

к.ф.-м.н

Исакова Н.П

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Существенным фактором антропогенного воздействия реактивной авиации на атмосферные процессы и климат является эмиссия аэрозольных частиц. Важное место среди них занимают сажевые частицы, способные влиять на атмосферу и климат за счет формирования долгоживущих конденсационных следов. Экспериментальным путем установлено, что центрами конденсации водяных паров при формировании видимого конденсационного следа самолета являются частицы гидрофильной фракции сажевого аэрозоля.

Причины гидрофильности части сажевых частиц долгое время оставались непонятыми и были источником разнообразных гипотез и предположений. Выполненные недавно детальные исследования физико-химических свойств сажи позволили связать гидрофильность сажевых частиц с наличием в их составе водорастворимых веществ (ВРВ). В то же время, эти исследования, поставили новые вопросы: каковы причины появления ВРВ на саже? Почему молекулы ВРВ обнаружены только у части сажевых частиц? Почему молекулы ВРВ регистрируются на саже, образующейся в камерах сгорания (КС) турбореактивных двигателей (ТРД), но не, например, в ламинарных пламенах? Пока эти, а также многие другие вопросы остаются открытыми.

По мнению ряда исследователей, накопление ВРВ на саже происходит непосредственно в КС и напрямую связано с другим феноменом -электрической зарядкой частиц сажи. Предполагается, что аккумуляция частицами сажи молекул ВРВ обусловлена зарядово-дипольным взаимодействием заряженных сажевых частиц и полярных молекул продуктов сгорания, поступающих в зону образования и зарядки частиц сажи с обратными токами. Проверка этой гипотезы может быть выполнена путем моделирования всего комплекса процессов, протекающих при горении углеводородного топлива, включая образование заряженных сажевых частиц. Однако такое моделирование должно предваряться исследованием природы феномена электрической зарядки сажевых частиц. Поэтому изучение механизмов образования электрически заряженных сажевых частиц представляет первостепенный интерес.

Еще одним типом аэрозольных частиц, загрязняющих атмосферу при полетах реактивной авиации, являются частицы сульфатного аэрозоля (СА), образованные мельчайшими капельками водного раствора Н2504. Частицы СА формируются в выхлопной струе ТРД за счет конверсии серы, содержащейся в топливе, в оксиды серы в камере сгорания (КС) и, затем, в серную кислоту при расширении продуктов горения в турбине и сопле ТРД. Частицы СА могут влиять на атмосферные процессы как косвенно, через увеличение планетарного альбедо, так и прямо, за счет гетерогенных реакций, протекающих на их поверхности. Особое место среди данных реакций занимают гетерогенные процессы, в которых образуется молекулярный хлор, способный фотодиссоцировать и вступать в реакцию с атмосферным озоном. Считается, что

именно эти процессы лежат в основе гетерогенного механизма разрушения озонового слоя в полярных областях Земли на высотах более 20 км. Эмиссия авиацией частиц СА может инициировать подобный процесс в умеренных широтах, где проходят основные трассы полетов самолетов пассажирской реактивной авиации. Для количественной оценки скорости этого процесса необходима информация о свойствах сульфатных частиц, таких, как концентрация, распределение по размерам, химический состав. Это требует создания моделей образования сульфатных частиц в выхлопных струях ТРД прогностического уровня. Первоначально все модели образования СА в выхлопных струях ТРД базировались на классической теории гомогенной бинарной Н20/Н2504 нуклеации (ГБН). Сопоставления результатов расчетов по этим моделям с полетными экспериментами выявили существенное расхождение, особенно в части, касающейся образования крупных летучих частиц с диаметром более Юнм. Мнение научного сообщества о механизмах образования этих частиц разделилось. На сегодня доминирующей стала точка зрения, согласно которой крупные частицы образуются за счет быстрого роста заряженных сульфатных частиц, образующихся в результате ионно-индуцированной нуклеации (ИИН) паров Н20 и Н2504 на ионах, содержащихся в продуктах сгорания авиационного топлива. Однако модели, которые использовались для обоснования этой точки зрения, основывались на целом ряде весьма спорных допущений. В последнее время, в связи с появлением нового поколения теорий нуклеации, особенностью которых является использование термодинамических функций малых кластеров, полученных методами вычислительной квантовой химии, появилась возможность более точно установить роль ИИН паров Н20 и Н2504 при формировании СА в выхлопных струях ТРД.

Цели работы:

- создание новых и развитие существующих методов расчета скоростей процессов, определяющих эволюцию частиц ультрадисперсных заряженных аэрозолей, образующихся при горении углеводородного топлива в диффузионных камерах сгорания, а также в продуктах выхлопа турбореактивных двигателей;

- определение механизма образования заряженных сажевых частиц при горении углеводородного топлива в воздухе;

- создание физико-математической модели формирования сульфатного аэрозоля в струях самолетов реактивной дозвуковой авиации и исследование влияния ионно-индуцированной нуклеации паров Н2О и Н2804 на формирование сульфатных частиц;

- определение механизмов формирования частиц СА в выхлопных струях турбореактивных двигателей.

Основные задачи исследования:

- анализ процессов, определяющих эволюцию конденсированных частиц ультрадисперсных заряженных аэрозолей, образующихся при горении

углеводородного топлива в воздухе, а также в продуктах выхлопа ТРД;

- развитие методики расчета констант коагуляции нейтральных и заряженных частиц в свободно-молекулярном режиме, основанной на концепции сферы захвата;

- создание методики расчета скорости осаждения полярных молекул на заряженных частицах, базирующейся на траекторных расчетах;

- создание методики расчета скорости конденсации в свободно-молекулярном режиме с учетом действия молекулярных сил со стороны капли на молекулы пара;

- создание физико-математической модели образования полидисперсного ансамбля электрически заряженных и нейтральных сажевых частиц при горении углеводородного топлива в воздухе;

- исследование динамики формирования сажевых частиц в пламенах и определение механизмов, ответственных за зарядку частиц сажи;

- построение физико-химической модели образования сульфатного аэрозоля в выхлопных струях ТРД прогностического уровня, описывающей образование и рост как нейтральных, так и заряженных сульфатных частиц;

- определение влияния ионно-индуцированной Н20/Н2804 нуклеации на суммарное распределение сульфатных частиц по размерам и исследование механизмов формирования фракции крупных сульфатных частиц в выхлопных струях ТРД.

Научная новизна:

- разработана физико-химическая модель образования электрически заряженных частиц сажи в ламинарном углеводородно-воздушном пламени;

- создана математическая модель и разработан численный алгоритм, решения системы кинетических уравнений, описывающих образование полидисперсного ансамбля нейтральных и заряженных сажевых частиц, базирующийся на методе фракций;

- выполнено сравнение результатов моделирования образования заряженных частиц сажи с экспериментом и определена роль различных механизмов в формировании заряженных сажевых частиц;

- разработана физико-математическая модель образования частиц СА в выхлопных струях ТРД, основанная на теории нестационарной ионно-индуцированной НгО/НгЗС^ нуклеации, описывающая рождение и рост заряженных и нейтральных сульфатных частиц;

- на основе модели образования частиц СА в выхлопных струях ТРД выполнен анализ влияния ионно-индуцированной нуклеации на эмиссию сульфатных частиц, а также получены данные о механизме формирования фракции крупных сульфатных частиц.

Научная и практическая ценность работы. Решение поставленных в работе задач обеспечивает более полное представление о физико-химических

процессах, происходящих при горении углеводородного топлива в пламенах, в камерах сгорания, а также о микрофизических процессах в выхлопных струях энергоустановок и авиационных газотурбинных двигателей.

Разработанные модели и комплексы программ могут использоваться для оценки эмиссии в атмосферу сульфатных аэрозолей и уже используются в рамках проекта Европейского Сообщества НГБАС (2005-2009гг.) для определения эмиссионных характеристик перспективного ТРД, которым предполагается оснастить новое поколение самолетов «бизнес-класса», и для определения сценариев воздействия полетов парка такого типа самолетов на атмосферные процессы и климат. Возможно также использование разработанных физико-математических моделей в методах диагностики пламен, процессов горения и пиролиза углеводородного топлива и использование комплексов компьютерных программ для оценки эмиссии аэрозольных частиц реактивными двигателями на этапе их проектирования на Российских предприятиях аэрокосмической отрасли.

Полученные в работе результаты имеют значение не только в исследованиях эмиссионных характеристик ТРД, но и для атмосферной химии, для анализа механизмов образования твердых и жидких заряженных наночастиц в различных системах: разряд, пиролиз, лазерная абляция, атмосфера и др., для прогнозирования эмиссии аэрозольных частиц двигателями различных транспортных систем (ДВС, дизели и др.).

Достоверность результатов диссертационной работы обусловлена корректностью и обоснованностью применяемых моделей, контролем сходимости численных решений, сравнением с результатами экспериментальных измерений.

На защиту выносятся:

- методики расчета констант скоростей процессов, определяющих эволюцию ультрадисперсных заряженных аэрозолей;

- модель образования заряженных и нейтральных сажевых частиц при горении углеводородного топлива в воздухе;

- роль механизмов, основанных на захвате ионов и термоэлектронной эмиссии, при образовании заряженных сажевых частиц;

- модель образования нейтральных и заряженных частиц СА в выхлопных струях ТРД;

- характер влияние ионно-индуцированной нуклеации на формирование сульфатного аэрозоля в струе и следе ТРД;

- роль межчастичного взаимодействия, обусловленного силами Ван-дер-Ваапьса, на образование сульфатных частиц.

Алробация работы и публикации. Основные результаты исследований докладывались на всероссийской научно-технической конференции "Проблемы сжигания углеводородных топлив", Москва, 1998; на всероссийской конференции, посвященной 40-летию Института механики МГУ, Москва, 1999;

Москва, 2000; на международной конференции "International Conference on Multiphase Systems", Уфа, 2000; на VIII всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике, Пермь, 2001; на международном симпозиуме "Nonequilibrium Process in Combustion and Plasma Based Technologies", Минск, 2004; на международной конференции "European Aerosol Conference", Бельгия, 2005; на 2-ом международном симпозиуме "Cold Atmospheric Pressure Plasmas: Source and Applications", Брюгге, Бельгия, 2005; '

на международной конференции "International Conference on the Physics of Dusty and Burning Plasmas", Одесса, 2007; на международной конференции "35th IEEE International Conference on Plasma Science ", Карлсруэ, Германия, 2008; на международной конференции "28th International Conference on Phenomena in Ionized Gases", Чехия, 2007; на международном симпозиуме "Nonequilibrium Process in Combustion and Atmospheric Pollution", Сочи, 2009.

Личный вклад автора. Основные результаты диссертации получены непосредственно автором, либо при его прямом участии в качестве ведущего исполнителя на важнейших этапах работы: постановка задачи, разработка физико-математических моделей, алгоритмов расчета, обработки и оформления полученных результатов, подготовки публикаций.

Публикации. Результаты, представленные в диссертации, опубликованы в 30 работах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 177 наименований. Работа изложена на 180 листах машинописного текста, содержит 54 рисунка, 3 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, изложены цели и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость работы, сформулированы основные положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе приведен обзор работ, в которых дается обоснование возможной связи механизма активации сажевых частиц как облачных ядер конденсации с электрической зарядкой сажевых частиц. Описаны экспериментальные исследования процесса образования заряженных сажевых частиц при горении углеводородных горючих в воздухе. Дается обзор публикаций, в которых выдвигаются гипотезы, объясняющие феномен электрической зарядки частиц сажи. Рассмотрены работы, посвященные анализу механизмов формирования частиц CA в выхлопных струях ТРД. Дается описание результатов измерений характеристик летучих нанометровых частиц в. струях ТРД во время полетных экспериментов. Показано влияние этих результатов на эволюцию моделей образования CA в струях ТРД. Кроме того, приведен обзор работ, посвященных расчету констант скоростей таких процессов как захват ионов проводящими частицами, коагуляция электрически заряженных проводящих частиц в свободно-молекулярном режиме, зарядка

частиц за счет эмиссии электронов при высоких температурах, а также захват дипольных молекул заряженными частицами конденсированной фазы.

Во вторая главе дается общая характеристика ультрадисперсных заряженных аэрозолей, рассматриваются некоторые вопросы теории, с помощью которой вычисляются константы скоростей процессов, определяющих эволюцию заряженных аэрозолей, анализируются особенности таких процессов, как коагуляция нейтральных и заряженных проводящих частиц, осаждение полярных молекул на заряженных частицах.

Заряженный аэрозоль - это система, содержащая слабоионизованный газ, а также нейтральные и заряженные частицы конденсированной (пылевой) фазы. Особенностью ультрадисперсных заряженных аэрозолей является малость размера частиц по сравнению с длинами свободных пробегов нейтральных молекул (нейтралов) и ионов, а также по сравнению с кажущейся длиной свободного пробега самих частиц. В этом случае обменные процессы между газовой и дисперсной фазами протекают в свободно-молекулярном режиме. В таком же режиме протекает и коагуляция частиц, причем на величину ее скорости сильное влияние оказывает межчастичное взаимодействие. В работе рассмотрен класс ультрадисперсных заряженных аэрозолей, в которых среднее расстояние между частицами, а также среднее расстояние между частицами и ионами много больше размера частиц. При этом захват ионов реализуется в виде парных столкновений частиц с ионами, поэтому взаимодействием частиц, обусловленным ионными потоками на их поверхность, можно пренебречь. В этом случае межчастичный потенциал определяется суперпозицией потенциалов кулоновских, поляризационных и молекулярных сил. В классических теориях высокодисперсных аэрозолей константы скоростей таких процессов, как захват газовых ионов и коагуляция, определяются через характеристические эффективные сечения а. При этом величина а находится из решения задачи двух тел. Однако, в заряженных аэрозолях, благодаря коллективным взаимодействиям ионов, а также заряженных пылевых частиц, один из основных интегралов движения - энергия относительного движения, вообще говоря, не сохраняется. В работе показано, что если суммарная концентрация ионов в системе не очень велика и удовлетворяет неравенству

ТУ, Х2ке\ (2квТ)2/Я,е4Л,

где кв - постоянная Больцмана; т - температура; е0 - электрическая постоянная; Я, - длина свободного пробега ионов, определенная через частоту столкновений с нейтралами; л - Кулоновский логарифм, то тогда изменение полной относительной энергии в системе ион-частица, обусловленное коллективными взаимодействиями будет незначительно.

Потенциал взаимодействия Ф(г), где г - межцентровое расстояние, пары частиц с радиусами й, и й,, соответствующий поляризационным, а также молекулярным силам, является сингулярным контактным потенциалом, то есть имеет особенность в точке г = д; + ^. Поэтому для расчета эффективного сечения

коагуляции невозможно использовать подход, основанный на концепции "предела орбитального движения". Киф и Нолан развили для этого случая концепцию "сферы захвата", базирующуюся на определении потока частиц на ротационный барьер [1]. Большим недостатком этой концепции является отсутствие аналитического решения уравнения, определяющего эффективное сечение а. Мэрлоу предложил подход, позволяющий преодолеть данный недостаток [2]. Однако полученные Мэрлоу формулы строго справедливы лишь, если потенциал удовлетворяет дополнительным условиям. В работе сделано обобщение подхода Мэрлоу на произвольные сингулярные контактные потенциалы. При этом были получены следующие формулы для константы скорости коагуляции:

заряженной частицы с нейтральной или двух нейтральных частиц,

¿ф(г) =0

Лу

(2)

для константы коагуляции одноименно заряженных частиц и

ГМ

о) ЛГ х ' 2

(3)

для константы коагуляции разноименно заряженных частиц. В формулах (1)-(3) параметр (к) представляет собой относительную тепловую скорость частиц,

потенциал Ф(*) определяется выражением ф(х) = ф((й, + И2)/х)х(квТ)'1. Индекс "оо" в формулах (1)-(3) подчеркивает, что приведенные формулы определяют константу коагуляцию в свободно-молекулярном режиме, то есть при КпЛ да, где Кп4 - аэрозольное число Кнудсена.

На рис.1 приведено, сопоставление расчетных значений коэффициента /?, определяющего собой увеличение скорости коагуляции за счет взаимодействия частиц, с результатами эксперимента, в котором измерялась скорость коагуляции нейтральных частиц, состоящих из молекул гпС12 и №С1. Взаимодействие нейтральных частиц определяется силами Ван-дер-Ваальса. Расчет коэффициента р выполнялся методом граничной сферы Фукса [2,3]

Го ""Р

кТ ) тг(Л, + Л2 + /В)ЛГ«1, где р^ и р,. - коэффициенты увеличения скорости коагуляции за счет межчастичного взаимодействия в свободно-молекулярном и континуальном режимах соответственно, Л, + Л2+/„ - радиус граничной сферы. Величина Д, в (4)

определяется выражением д, = Кг +/?2)2) . На рис.1 дается также

зависимость р от Кпа, в которой ^определяется формулой Мерлоу [2]

и

Видно, что для частиц, состоящих из молекул 2пС12, расчет по формуле Мерлоу сильно завышает величину параметра р относительно данных эксперимента. Существенно лучшее соответствие эксперименту дает формула (1). Для частиц, состоящих из молекул ЫаС1, разброс экспериментальных данных слишком велик, чтобы только на основании сравнения расчета и эксперимента сделать однозначный вывод о точности формулы (1) или формулы (5). Однако есть и еще один критерий, которому должны удовлетворять любые аналитические соотношения для Д при Кпл -> ю эти соотношения должны давать тот же

результат, что и формула р^ = +Л,)2) (на рис.1 значение Д

вычисленное по этой формуле, показано пунктирной линией). Из рис. 1 следует, что только формула (1) удовлетворяет этому условию.

з.о

2.0 1.5

1.0

1 2 / Ж а

/ ^ X

х

жх

0.1

10

Кп„

Рис. 1 Зависимость коэффициента р от Кпа при коагуляции нейтральных частиц, состоящих из молекул ТпС\2(а) и ЫаС1 (б). Символы: эксперимент, сплошные линии: 1 - расчет К^ по формуле (1), 2 - расчет Кт по формуле (5),

пунктирная линия - расчет по формуле + Я^)2)

На рис. 2(а,б) показано отношение констант скоростей (1) и (5) при коагуляции заряженной (<? = +1,+5) и нейтральной хорошо проводящих частиц от параметра s = /?,/(/?, + Я2). Потенциал Ф(*) взаимодействия нейтральной и заряженной частиц зависит от величин двух постоянных: Я - приведенной к квТ константе Гамахера и M = е2 [4лгг0Ая7"(Л1 + й2)]"'. Рис. 2(а) отвечает М = 0,1; рис. 2(6) - M = 1,0 Из рисунка видно, что при s-И, формулы (1) и (5) дают приблизительно одинаковые значения. С уменьшением s разница между константами (1) и (5) увеличивается, и при s < 0,5 составляет десятки процентов.

з ---т---1-■-1---1--- и.ан-■—-,---1' -1---1---

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 s 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 s

Рис. 2 Отношение констант скоростей (2) и (5) при коагуляции заряженной (^ = +1,+5) и нейтральной частиц при Л/ = О,I (а) и М = 1(6), (- • Н = 1,......... Я = 10,----- - Я = 100)

В некоторых явлениях на эволюцию дисперсной фазы заряженного аэрозоля сильное влияние оказывает конденсационный рост частиц (например, при росте заряженных частиц СА в выхлопных струях ТРД). Особый интерес, как для теории, так и для практики представляет конденсация полярных молекул на заряженные частицы. Благодаря зарядово-дипольному взаимодействию, скорость конденсации паров может в этом случае значительно увеличиваться. Расчет константы скорости прилипания полярных молекул к заряженным частицам связан с определенными трудностями, ввиду того, что силы, действующие на полярную молекулу со стороны поля частицы, в общем случае не являются центральными. Это делает невозможным применение для расчета константы скорости теории движения в центральном поле. Траектория полярной молекулы может быть найдена только путем численного интегрирования уравнений ее движения. В некоторых работах (см. например [4]) были предприняты попытки получить простые аналитические формулы для константы скорости захвата полярных молекул заряженными частицами, базирующиеся на осредненном потенциале полярной молекулы в поле частицы. Однако используемое при осреднении допущение о равновесном распределении полярных молекул по ориентации не может быть признано обоснованным, так как равновесное распределение устанавливается в результате столкновений

между молекулами, а в свободно-молекулярном режиме таких столкновений в окрестности частицы нет. В работе выполнена оценка величины погрешности аналитических формул с помощью определения константы скорости на основе траекторных расчетов движения дипольной молекулы относительно заряженной частицы. В результате траекторных расчетов был обнаружен эффект отталкивания молекул с большой вращательной энергией от заряженной частицы. Этот, парадоксальный на первый взгляд, эффект имеет простое физическое объяснение. Если собственная вращательная энергия диполя превышает работу электрического поля при развороте диполя на угол к, то тогда диполь будет совершать круговые вращения, причем ориентации с минимальной потенциальной энергией (когда вектор дипольного момента ориентирован по полю, и сила, действующая на диполь, является силой притяжения) будет соответствовать максимальная угловая скорость вращения. И, наоборот, ориентации с максимальной потенциальной энергией будет соответствовать минимальная скорость вращения. Вследствие этого, осредненная за период проекция силы на радиус-вектор, проведенный от частицы, будет иметь положительное значение, то есть имеет место отталкивание. Аналитические формулы, базирующиеся на осредненном потенциале, не учитывают этого эффекта и тем, очевидно, завышают величину константы скорости. В качестве примера в таблице 1 приведено сопоставление констант скоростей захвата молекулы БО (дипольный момент 1.850) однократно заряженной частицей радиуса Я, вычисленных с помощью аналитической формулы (Ка) и на основе траекторных расчетов (К„) при температуре 298К.

Таблица 1

Д, нм 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6

Ка, см3/с 2,53x10-" 2,56x10"' 2,74x10"9 3,08x10"' 3,58x10"' 4,22x10"'

К., см3/с 1,24x10-' 1,45x10"' 1,82x10 9 2,32x10"' 2,96x10"' 3,69x10"'

Видно, что погрешность расчета константы скорости возрастает с уменьшением размера частицы и может достигать фактора 2 для мелких частиц с Я < 1 нм.

В третьей главе рассмотрена задача о механизмах формирования электрически заряженных сажевых частиц при горении углеводородного топлива в воздухе.

Для объяснения электрической зарядки частиц сажи были предложены различные гипотезы. Кэлкот и Кейл предполагали, что заряженные частицы формируются в результате ион-индуцированной нуклеации углеводородных радикалов [5]. Эта гипотеза базировалась на наблюдаемом резком уменьшении концентрации ионов при формировании сажевых частиц. В многочисленных исследованиях в качестве основного механизма электрической зарядки рассматривалась эмиссия электронов при высоких температурах [6,7]. В работе Старика, Савельева, Титовой и Фаворского [8] был предложен механизм, основанный на захвате частицами сажи ионов, образующихся в продуктах горения углеводородного топлива. Данный механизм базируется на идее,

согласно которой между нейтральной проводящей сажевой частицей и ионом за счет поляризационного взаимодействия может возникать связанное состояние. Ложность или истинность этих гипотез можно установить путем сравнения результатов моделирования с экспериментом. Учитывая сложность процессов, протекающих при горении жидкого топлива в диффузионных камерах сгорания, моделирование зарядки сажевых частиц в КС ТРД является чрезвычайно трудной задачей. Более простым способом определения кинетического механизма зарядки является моделирование образования заряженных частиц сажи в ламинарных пламенах. Результаты экспериментального исследования зарядки сажевых частиц в ламинарном этилен/воздушном пламени описаны в [9]. В результате измерений было установлено, что первичные частицы сажи являются нейтральными. Было также показано, что сажевые частицы приобретают электрический заряд лишь на определенном удалении от фронта пламени [9]. Из этого опытного факта сразу вытекает ложность гипотезы Келкота и Кейла, так как, если бы частица сажи формировались в результате нуклеации на ионах, то тогда первичные частицы несли бы электрический заряд. Поэтому гипотеза Келкота и Кейла в работе не рассматривалась.

Построенная в работе модель образования нейтральных и заряженных сажевых частиц включала в себя следующие процессы: 1) образование полиароматических углеводородов в газофазных химических реакциях; 2) образование ионов в хемоионизационных реакциях; 3) электрическая зарядка сажевых частиц за счет захвата ионов; 4) электрическая зарядка сажевых частиц, обусловленная термоэлектронной эмиссией; 5) рост сажевых частиц вследствие коагуляции. Моделирование состояло из двух этапов. На первом, предварительном этапе решалась задача о фронте пламени без сажевых частиц, при этом определялся момент времени, при котором концентрация прекурсоров сажи - полиароматических молекул достигала максимума. Затем, принимая этот момент за время формирования первичных сажевых частиц, производилось решение системы кинетических уравнений для функций распределения сажевых частиц по массам и зарядам, а также уравнений для концентраций газовых компонентов (включая ионы). Эта система имеет вид

Здесь m - масса сажевой частицы; ft(m,t) - функция распределения, такая, что f4(m,t)dm равно среднему числу сажевых частиц с зарядом q, массы которых принимают значение в пределах от m до m + dm; V - скорость газа; Qf - скорость образования частиц в результате коагуляции; С1\ - скорость образования частиц за счет захвата ионов, iif - скорость образования частиц за счет термоэлектронной эмиссии; пк - концентрация нейтральных молекул к -го сорта;

1 äf4(m,l)V V dt

(6)

V dt

dt 1 V dtK ' > ' ' Vdty 1 > '

п* - концентрация положительных ионов (-го сорта, п~ - концентрация отрицательных ионов у-го сорта; Ок - скорость образования нейтралов к-то сорта в химических реакциях, б* и - скорость образования положительных ионов /-го сорта и отрицательных ионов у'-го сорта в химических реакциях; в* и 0} - скорость "гибели" положительных ионов /-го сорта и отрицательных ионов у'-го сорта за счет их захвата сажей. При интегрировании системы (6) использовались данные о температуре и скорости пламени, найденные на предварительном этапе.

Рассмотрим вначале результаты моделирования образования заряженных сажевых частиц без учета термоэлектронной эмиссии = 0), то есть только за счет захвата ионов. На рис. 3 показано распределение частиц разных зарядов по размерам. Видно, что распределение по размерам зависит от модуля заряда, но не его знака - кривые, отвечающие противоположно заряженным частицам (например, д=+1 и <7=-1), фактически сливаются. Это указывает на симметричность распределения по зарядам. Обращает на себя внимание также резкое падение концентрации заряженных частиц с уменьшением их размера. На рис. 4 показано распределение по зарядам частиц с диаметрами 0=24нм и /5=33нм. Для сравнения на рис. 4 показано штриховой линией Больцмановское распределение и символами - распределение по зарядам, полученное в [9] на расстоянии 30 мм от фронта пламени. Видно, что с течением времени кривые стремятся к некоторому предельному распределению, причем результаты расчета неплохо "ложатся" на экспериментальные точки.

Рис. 3 Распределение по размерам частиц разных зарядов в моменты времени 10мс (а) и 200мс (б) после образования первичных частиц

Расчеты показали, что модель электрической зарядки сажевых частиц в ламинарных пламенах, основанная на захвате ионов, позволяет объяснить следующие опытные факты: 1) независимость концентрации и среднего диаметра сажевых частиц от знака заряда, 2) незначительность концентрации заряженных частиц в моде мелких частиц, 3) симметричность распределения

сажевых частиц по заряду, 4) резкое уменьшение концентрации ионов после начала сажеобразования.

Рис. 4. Распределение по зарядам частиц с £> = 24нм (а) и О = ЗЗнм (б) в различные моменты времени после образования первичных частиц, (штриховая линия - распределение Больцмана по зарядам, х - экспериментальные измерения на расстоянии 30 мм от фронта пламени [9])

Рассмотрим теперь процесс зарядки с учетом не только захвата ионов, но и термоэлектронной эмиссии. Источниковый член Г2*, определяющий скорость зарядки частиц за счет эмиссии электронов, зависит от работы выхода электронов, а также радиуса и заряда частицы. Ввиду того, что данные о работе выхода для частиц "молодой" сажи в литературе отсутствует, в качестве работы выхода использовалась соответствующая характеристика графита. Расчеты показали, что за счет термоэлектронной эмиссии происходит сильный "сдвиг" распределения по зарядам крупных частиц вправо относительно Больцмановского распределения. Распределение по зарядам мелких частиц, наоборот, претерпевает небольшой сдвиг в сторону негативных зарядов. Эта особенность вызвана, с одной стороны, образованием повышенной концентрации электронного газа за счет эмиссии электронов крупными частицами, а, с другой, сильным, блокирующим действием поля малых частиц. Поскольку выявленная асимметричность распределения по зарядам прямо противоречит эксперименту, модель, учитывающая зарядку частиц за счет термоэлектронной эмиссии, может быть признана ошибочной. Таким образом, сопоставление результатов моделирования с экспериментом позволяет заключить, что основным механизмом, определяющим зарядку сажевых частиц, является захват ионов и электронов. Термоэлектронная эмиссия при этом если и играет, то очень незначительную роль. Несоответствие результатов моделирования с учетом термоэлектронной эмиссии эксперименту может быть вызвано следующими причинами: 1) сильным различием величины работы выхода "молодой" сажи и графита, 2) зависимостью работы выхода от размера частицы, обнаруженной в некоторых работах.

Четвертая глава посвящена механизмам образования нейтральных и заряженных сульфатных частиц в выхлопных струях ТРД, а также анализу влияния процесса нуклеации паров Н20 и H2SO4 на ионах, содержащихся в продуктах сгорания углеводородного топлива, на индексы эмиссии сульфатных частиц, образующихся в выхлопных струях ТРД. Учитывая, что обычно в струях дозвуковых ТРД водяной пар перегрет или слабо пересыщен, до определенного времени полагалось, что ключевую роль в формировании летучих частиц в струе ТРД играет ГБН паров H20/H2S04. Поэтому ранние модели образования CA в струях ТРД базировались на классической теории ГБН. На рис. 5 приведены индексы эмиссии частиц с диаметрами £> >5нм и D> 14нм, зарегистрированные

в полетном экспериментом SULFUR-5 в струе летающей лаборатории (JIJ1) ATTAS, в зависимости от времени пребывания частиц в струе t при большом содержании серы в топливе (2700мг/кг). На рис. 5 показаны также полученные с помощью модели, основанной на классической теории ГБН, результаты расчета индексов эмиссии частиц, при трех разных

ю*

10"

1tf

10

10

10

10

.....1 ........1 ........1 1 --—

\ff V

/

/// 2

Ii /

/ 1

III 1 / 3 ✓ /

0.1

t,c

10

Рис. 5 Индексы эмиссии частиц с £>>5нм и £>> 14нм в струе ЛЛ ATTAS (символы - эксперимент: ▲ - D > 5нм, ■ - D > 14нм; сплошные линии-расчет £>>5нм, штриховые -расчет £>>14нм), 1 - е = 3.3%, 2 - е = 2.3%, 3-е = 1.3%.

значениях степени конверсии е топливной серы в 803 и Н2504 на срезе сопла основного контура ТРД: 1.3%, 2.3% и 3.3%. Данные значения степени конверсии отвечают тому интервалу неопределенности величины е, которая была установлена в экспериментах. Представленные на рис. 5 кривые получены с помощью квазиодномерной модели струи. Хотя точность квазиодномерной модели струи невелика (анализ показывает, что максимальная точность, которую можно от нее ожидать - это точность до порядка величины), тем не менее, из рис. 5 видно, что при всех £ расчетные значения индекса эмиссии крупных частиц с й> 14нм на много порядков меньше экспериментальных. Основываясь на этом, Турко и Ю выдвинули идею об образовании крупных сульфатных частиц при большом содержании серы в топливе (ССТ) за счет ионно-индуцированной Н20/Н2504 нуклеации [10]. Однако модель, которая была предложена ими для обоснования этой идеи, содержала ряд слабо аргументированных допущений. Ошибочность некоторых из них, например, допущения об очень низкой эффективности коагуляции малых нейтральных сульфатных кластеров выяснилась впоследствии с появлением новых экспериментальных и расчетных данных. С целью определения влияния ионно-индуцированной Н20/Н2504 нуклеации на эмиссию СА самолетами реактивной авиации была разработана модель,

описывающая образование нейтральных и отрицательно заряженных сульфатных частиц за счет гомогенной нуклеации паров Н20 и H2SO4 , а также за счет роста ионных кластеров HS04"(H2S04)x(H20)y. Эта модель основывается на нестационарной кинетической теории ионно-индуцированной H20/H2S04 нуклеации Лавджоя, Кертиса и Фройда (ЛКФ) [11]. Особенностью теория ЛКФ является использование термодинамических функций малых кластеров, вычисленных методами квантовой химии. Выбор теории ЛКФ в качестве основы для построения модели образования нейтральных и заряженных сульфатных частиц в выхлопной струе ТРД объясняется двумя обстоятельствами. Во-первых, эта теория включает в себя как гомогенную нуклеацию, так и ионно-индуцированную и, следовательно, описывает рождение и рост как нейтральных, так и заряженных сульфатных частиц. Во-вторых, основной канал образования заряженных частиц в теории ЛКФ связан с ростом кластеров HS04" (H2S04X(H20)>. Из экспериментов, выполненных в рамках программы SULFUR, известно, что именно ион HS04\ а также сопутствующие ему ионно-молекулярные ассоциаты имеют наибольшую концентрацию на срезе сопла ТРД при большом и умеренном ССТ. С целью применения теории ЛКФ к расчету ионно-индуцированной H2O/H2SO4 нуклеации в струе ТРД эта теория была модифицирована. Во-первых, учитывая значительную роль коагуляции в процессе роста частиц в струе ТРД, был заменен блок, описывающий коагуляцию нейтральных и заряженных частиц. Вместо модели Фукса, которая, как показали Хоппель и Фрик [12], дает большую погрешность в случае частиц малых радиусов, была использована рассмотренная в настоящей работе теория, базирующая на концепции сферы захвата. Во-вторых, в модель была включена кинетика образования ионно-молекулярных ассоциатов N0+(H20)m (ш=1..3), H30+(H20)n (n=1..6), N0/(H20)m N03"(HN03)m HS04"(S03), и др. из работы [13]. Хотя при тех условиях, которые характерны для струй ТРД данные ассоциаты не способны к неограниченному росту подобно кластерам HS04'(H2S04)x(H20)y, тем не менее, они могут косвенно влиять на образование сульфатных частиц, за счет, во-первых, рекомбинации с ними, а, во-вторых, за счет процессов конверсии, таких, например, как конверсия кластера N03"(H20) в HS04'(H20) за счет реакции N03"(H20) + H2S04 HS04"(H20) + HN03. Надо отметить, что измерения, выполненные в ходе полетных экспериментов, косвенно указывают на существование еще одного канала образования заряженных летучих частиц в струях ТРД, который, как предполагается, связан с ростом положительно заряженных частиц водного раствора альдегидов. Однако данный канал играет заметную роль лишь при ССТ < 100 мг/кг [14]. Модель описывает также такие процессы как гетерогенная нуклеация и конденсация паров Н20 и H2S04 на активированных сажевых частицах, а также поглощение обводненными сажевыми частицами сульфатных частиц.

На рис. 6 показаны результаты расчета распределения частиц CA по числу молекул H2S04 в струе летающей лаборатории (ЛЛ) ATTAS при умеренном ССТ (400 мг/кг). За счет более высокой устойчивости заряженные частицы образуется раньше нейтральных. Заряженные частицы также быстрее растут вследствие

зарядово-дипольного взаимодействия, что ведет к образованию бимодального распределения по числу молекул Н2804 (рис. 6).

о. 01

число молекул H2S04

10 10 число молекул H2S04

Рис. 6 Распределение частиц сульфатного аэрозоля в струе JIJ1 ATTAS по числу молекул серной кислоты при ССТ = 400 мг/кг на расстояниях 50м (а) и 2000м (б) от среза сопла J1JI ATTAS (сплошные линии - нейтральные частицы, штриховые

- заряженные частицы)

При большом содержании серы в топливе эта бимодальность проявляется лишь на незначительных расстояниях за срезом сопла (рис. 7). Однако, ниже по потоку, передний фронт распределения нейтральных частиц, движение которого определяется, в виду высокой концентрации частиц, скоростью ихкоагуляции, "догоняет" распределение заряженных частиц, и, в дальнейшем, фракция заряженных частиц уже не оказывает влияния на суммарное распределение частиц CA по размерам. Расчеты также показали, что такие процессы как гетерогенная нуклеация и конденсация паров Н20 и H2S04 на активированных сажевых частицах практически никак не сказываются на формирование ансамбля сульфатных частиц.

На рис.8 показаны результаты расчета с помощью созданной модели индексов эмиссий частиц струе JIJI ATTAS в сравнении с данными полетного эксперимента SULFUR-5. Из рисунка видно, что индексы эмиссии крупных частиц с D > 14 нм как нейтральных, так и заряженных на много порядков меньше индексов эмиссии, наблюдавшихся в эксперименте. Следовательно, гипотеза Турко и Ю об образовании крупных частиц за счет быстрого роста заряженных частиц, образовавшихся вследствие нуклеации паров И20 и H2S04 на ионах, является ошибочной.

Как показано в работе, высокий уровень эмиссии крупных частиц, зарегистрированный в эксперименте, объясняется ускоренной за счет сил Ван-дер-Ваальса коагуляцией нейтральных частиц. Из расчетов следует, что за счет сил Ван-дер-Ваальса константа скорости коагуляции возрастает приблизительно в 2 раза. При этом рост концентрации крупных частиц, как показано в работе, пропорционален фактору (2)5, где s - число мономеров в частице. Поэтому даже

незначительное увеличение константы скорости коагуляции приводит к резкому росту концентрации крупных частиц.

Ч> -г

число молекул H2S04

103 10* чото молекул HjS04

Рис. 7 Распределение частиц сульфатного аэрозоля в струе JUI ATTAS по числу молекул серной кислоты при ССТ=2700 мг/кг на расстоянии 15м (а) и 2000м (б) от среза сопла ЛЛ ATTAS

10" 10и

Рис. 8 Индексы эмиссии нейтральных (1) и заряженных (2) частиц с О >5нм (сплошные линии) и О > 14нм (штриховые линии) символы - эксперимент: А - £>>5нм, В > 14нм. а-е = 2.3%, б - £ = 3.3%

Для демонстрации влияния указанного эффекта модель образования частиц СА в струе ТРД была доработана путем включения в нее межчастичного взаимодействия нейтральных частиц, обусловленного силами Ван-дер-Ваальса. Согласно теории Гамахера, потенциал взаимодействия двух сферических частиц, приведенный к квТ определяется выражением

Ф(г) = -

Н [ 2i(l-j)r2 2s(\-s)f

+ ln

1-Г2

(7)

6 \-/2

где / = («, + К2)/г, .ч = + й2), Н - константа Гамахера. Константа Гамахера сульфатных частиц определялась в опытах Чена, Мозуркевича - Н =6,4х Ю'20 Дж

[16]. Потенциал (7) является сингулярным контактным потенциалом. Константа скорости коагуляции нейтральных частиц с сингулярным контактным потенциалом взаимодействия определяется формулой (1).

На рис. 9 показаны результаты расчета индексов эмиссии частиц с учетом сил Ван-дер-Ваальса в струе JIJI ATTAS при е = 3.3%. Канал образования частиц, связанный с ИИН, при этом не рассматривался. Видно, что в этом случае удается получить намного большие индексы эмиссии крупных частиц. Результаты расчета, с точностью до порядка величины, соответствуют эксперименту SULFUR-5.

Квазиодномерная модель, с помощью которой был получен данный результат, не учитывает важной особенности - гидродинамических неоднородностей, которые, как показано в работе [16], могут оказывать сильное влияние на формирование частиц в струе. Среди них важнейшими, с точки зрения образования сульфатных частиц, являются неоднородности поперечного распределения температуры и влажности, а также концентрации прекурсоров сульфатных частиц - молекул H2S04. Строгое определение влияния гидродинамических неоднородностей на распределение частиц CA по размерам возможно, очевидно, лишь в рамках модели, описывающей эволюцию химического состава и дисперсной фазы по размерам в спутной осесимметричной турбулентной струе. Однако использование таких моделей требует применения высокопроизводительных вычислительных средств. Более простым является квазидвумерный подход, основанный на определении характеристик дисперсной фазы вдоль выделенных струек тока. В этом подходе расчет дисперсного состава выполняется в два этапа. На первом этапе осуществляется расчет осесимметричной турбулентной струи с химическими реакциями. Затем вдоль определенных линий тока производится расчет распределения по размерам частиц сульфатного аэрозоля. Для расчета на первом этапе использовалась кинетика газофазных реакций, дополненная, с целью определения топологии, зон, в которых частицы CA образуются наиболее интенсивно, обратимой бимолекулярной реакцией образования димера серной кислоты (H2S04)2. Расчет показал, что максимум концентрации димера (H2S04)2 приходится на ось струи, поэтому на втором этапе был выполнен расчет дисперсного состава вдоль осевой линии тока. Такие параметры как температура, скорость, а также парциальная плотность H2S04, были взяты из

Рис. 9. Индексы эмиссии частиц с

й >5нм (сплошные линии) и И > 14нм (штриховые линии) без учета (1) и с учетом сил Ван-дер-Ваальса (2), е = 3.3%, символы - эксперимент: ▲ -1>>5нм, ■ - 2)>14нм

предварительного расчета. Полученные результаты удовлетворительно

Рис. 10. Индексы эмиссии частиц с D >5нм (сплошные линии) и D > 14нм

(штриховые линии) вдоль осевой струйки тока JIJI ATTAS при ССТ=2700 мг/кг, а-е = 2.3%, б - е = 3.3%, символы - эксперимент: А - D >5нм, я - D> 14нм

В заключении приведены основные выводы по работе:

1. Проведен анализ механизмов коагуляции как заряженных, так и нейтральных кластеров и сажевых частиц, образующихся при горении углеводородного топлива. Получены соотношения для вычисления констант скорости коагуляции в свободно молекулярном режиме, как для заряженных, так и для нейтральных частиц нанометрового размера при действии между частицами Ван-дер-Ваальсовских, кулоновских и поляризационных сил.

2. Показано, что действие поляризационных сил между даже однократно заряженной и нейтральной частицами приводит к значительному (до 10 раз) увеличению по сравнению с обычной газокинетической константой скорости коагуляции. Более того, действие Ван-дер-Ваальсовских и поляризационных сил между одноименно заряженными частицами может привести к подавлению кулоновского отталкивания частиц и стимулировать коагуляцию частиц даже с одинаковыми зарядами. Эти эффекты наиболее сильно проявляются при взаимодействии частиц с различными размерами.

3. Установлено, что за счет взаимодействия заряженной дисперсной частицы с дипольным моментом полярной молекулы, обладающей большим запасом собственной вращательной энергии, вращение молекулы вокруг осей инерции приобретает ярко выраженный неравномерный характер, при котором положению, отвечающему минимуму потенциальной энергии, соответствует наибольшая угловая скорость вращения молекулы. Вследствие этого, на молекулу с большим запасом вращательной энергии будет действовать со стороны частицы сила отталкивания, а не притяжения. Определение констант скоростей захвата дипольных молекул на основе траекторных расчетов с учетом этого эффекта показало, что аналитические формулы, основанные на осредненном потенциале полярной молекулы в

поле частицы, завышают величину константы скорости. Для нанометровых частиц погрешность определения константы скорости может составлять фактор, равный 2.

4. На основе численного моделирования показано, что резкое уменьшение концентрации ионов в момент начала формирования сажевых частиц в пламени, наблюдаемое экспериментально, вызвано прилипанием ионов к сформированным частицам. Основной механизм зарядки кластеров и сажевых частиц - прилипание ионов С2НзО+, С3Н3+ и НС03" к первичным кластерам и вторично сформированным частицам, в то время как термоэлектронная эмиссия не играет существенной роли в образовании заряженных частиц, как полагалось ранее.

5. Разработана новая модель нестационарной ионно-индуцированной нуклеации и формирования жидких сульфатных аэрозольных частиц, рассматривающая образование сульфатных кластеров, как заряженных HS04~(H2S04)x(H20)y, так и нейтральных (H2S04)K(H20)y, на основе кинетического подхода. Модель включает кинетику формирования ион-молекулярных ассоциатов HS04~(HN03), HS04'(S03), N03"(HN03)2, N03" (HN03)(H20) и H30+(H20)n, (n=l-6), а также нейтральных и отрицательно заряженных сульфатных кластеров (H2S04)x(H20)y и HS04~(H2S04)x(H20)y с учетом как процессов прилипания мономеров к кластерам (конденсация), так и процессов их отлипания (испарение) на основе рассчитанных термодинамических функций кластеров.

6. На основе численного моделирования установлено, что при умеренном (-0,01%) содержании серы в топливе в выхлопной струе формируются как нейтральные, так и отрицательные сульфатные кластеры с большим числом молекул H2S04 и Н20 в кластере. При этом нейтральные кластеры составляют моду относительно мелких кластеров с небольшим содержанием мономеров H2S04 и Н20 в кластере, а отрицательно заряженные кластеры образуют моду более крупных отрицательно заряженных сульфатных частиц.

7. Показано, что образование сульфатных частиц при большом содержании серы в топливе определяется, в основном, гомогенной бинарной нуклеацией паров Н20 и H2S04. При этом зарегистрированная в полетных экспериментах достаточно большая величина индекса эмиссии крупных частиц с D > 14 нм объясняется ускорением коагуляции нейтральных частиц CA за счет действия сил Ван-дер-Ваальса между частицами, а не ионно-индуцированной нуклеацией, как считалось до недавнего времени.

Цитируемая литература

1. Keefe D., Nolan Р.J., et. al. Influence of Coulomb and image forces on combination in aerosols. Proc. Royal Irish Acad. Sei. Section A: Mathematical and Physical Sciences. 1968. V.66. P. 17-29.

2. Marlow W. Derivation of aerosol collision rates for singular attractive contact potentials //J. Chem. Phys. 1980. V.73. № 12.

3. Фукс Н.А., Сутугин А.Г. Высокодисперсные аэрозоли // Успехи химии. J968. №1 J. С. 1965.

4. Nadykto А.В., Yu F. Uptake of neutral polar vapor molecules by charged clusters particles: Enhancement due to dipole-charge interaction И J. Geoph. Res. 2003. V. 108. № D23 4717 doi:10.1029/2003JD003664

5. Calcote H.F., Keil D.G. The role of ions in soot formation // Pure Appl. Chem. 1990. V.62. №5. P.815-824.

6. Balthasar M, Mauss F., Wang H. A computational study of the thermal ionization of soot particles and its effect on their growth in laminar premixed flames // Combust. Flame. 2002. V.129. № 1-2. P.204-216.

7. Sorokin A., Arnold F. Electrically charged small soot particles in the exhaust of an aircraft gas-turbine engine combustor: comparison of model and experiment // Atmosph. Environment. 2004. V.38. №17. P.2611-2618

8. Савельев A.M., Старик A.M., Титова H.C., Фаворский O.H. О механизме электрической зарядки сажевых частиц при горении углеводородных топлив Н Доклады Академии Наук. - 2004. - Т.397. - №4. - С. 467-473.

9. Maricq М. The dynamics of electrically charged soot particles in a premixed ethylene flame//Combust. Flame. 2005. V.141.№4. P.406-416..

10. Yu F., Turco R.P The role of ions in the formation and evolution of particles in aircraft plumes // Geophys. Res. Lett. 1997. V.24. №15. P.1927-1930

11. Lovejoy, E. R., Curtius, J., Froyd, K. D. Atmospheric ion induced nucleation of sulfuric acid and water // J. Geophys. Res. 2004. V.109. D08204. doi: 10.1029/2003JD004460

12. Hoppel W.A., Frick G.M. Ion-Aerosol Attachment Coefficients and the Steady-State Charge Distribution on Aerosols in a Bipolar Ion Environment // Aerosol Sci. Tech. 1986. V.5. №1 P.l-21

13. Starik A.M., Savel'ev A.M., Titova N.S., Loukhovitskaya E.E., Schumann U., Effect of aerosol precursors from gas turbine engines on the volatile sulfate aerosols and ion-clusters formation in aircraft plumes // Physical Chemistry Chemical Physics. - 2004. - V.6. - №13. - P.3426-3436

14. Schumann U., Arnold F., Busen R. Curtius J. et. al. Influence of fuel sulfur on the composition of aircraft exhaust plumes: The experiments SULFUR 1-7 // J. Geoph. Res. 2002. V.107. № D15, P.AAC2.1-AAC2.27

15. Chan T.W., Mozurkewich M. Measurement of the coagulation rate constant for sulfuric acid particles as a function of particle size using tandem differential mobility analysis HI. Aerosol Sci. 2001. V.32. №3. P.321-339

16. Ватажин А.Б., Козлов B.E., Старик A.M., Холщевникова E.K. Численное моделирование образования аэрозольных частиц в струях реактивных двигателей // Известия АН МЖГ. 2007. №1. С.39-50

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Савельев A.M., Старик A.M., Титова Н.С. Численное моделирование динамики образования серных, азотных и хлорных соединений в тракте газотурбинного двигателя и спутной струе дозвукового самолета /

Проблемы сжигания углеводородных топлив. Тезисы докладов. Москва.

- 1998. -С.67-68

2. Савельев A.M., Старик A.M., Титова Н.С. Исследование динамики образования экологически вредных газов в элементах газотурбинного двигателя // Теплофизика высоких температур. - 1999. - Т.37. - № 3. - С. 495-503.

3. Савельев A.M., Старик A.M., Титова Н.С. Неравновесные физико-химические процессы в струях реактивных двигателей. Проблемы и перспективы исследований / Современные проблемы механики. Конференция, посвященная 40-летию Института механики МГУ. Тезисы докладов. -1999.

4. Starik A.M., Savel'ev A.M., Titova N.S. The effect of nonequilibrium processes of H-, N- and S-containing species production in the internal flow of gasturbine engine on the formation of aerosols in aircraft plume // Journal of Aerosol Science.-2000,-V.31-Supplement. 1. - P. 382-383.

5. Зайчик Л.И., Лебедев А.Б., Савельев A.M., Старик A.M. Моделирование бинарной конденсации H2O/H2SO4 на основе Эйлерова метода фракций // Теплофизика высоких температур. -2000. -Т.38. - №1,- С.81-90.

6. Starik A.M., Savel'ev A.M., Titova N.S. Peculiarities of Aerosol Particles Formation in Aircraft Jet Plumes / Материалы International Conference on Multiphase Systems. - 2000. Russia. - 6p.

7. Starik A.M., Savel'ev A.M. Peculiarities of sulfate aerosols formation in aircraft jet plume / Международная аэрозольная конференция, посвященная памяти профессора А.Г. Сутугина. Тезисы докладов. -2000.

8. Савельев A.M., Старик A.M., Динамика образования сульфатных аэрозолей в струях реактивных двигателей // Известия Академии Наук. Механика жидкости и газа. -2001. - №1. - С. 108-117.

9. Савельев A.M., Старик A.M. Физико-химические процессы и особенности формирования аэрозолей в струях реактивных двигателей / VIII всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике. Аннотации докладов. Екатеринбург: УрО РАН. - 2001. - С. 513.

10. Starik A.M., Savel'ev A.M., Titova N.S. Schumann U. Modeling of sulfur gases and chemiions in aircraft engines // Aerospace Science and Technology.

- 2002. -V.6. -№1. -P.63-81.

11. Савельев A.M., Старик A.M., Титова Н.С. Кинетика образования сернистых соединений при горении углеводородных топлив в воздухе // Физика горения и взрыва. -2002.-Т.38. -№6. -С. 3-16.

12. Starik A.M., Savel'ev A.M., Titova N.S., Rein O.E. Modeling studies of sulfur species, ions, and charged soot particles formation in the internal flow of jet engines / Combustion and Atmospheric Pollution, edited by G. Roy, S. Frolov, A. Starik. Moscow, Torus Press. - 2003. - P. 470-475.

13. Савельев A.M., Старик A.M., Титова H.C., Фаворский O.H. О механизме электрической зарядки сажевых частиц при горении углеводородных топлив // Доклады Академии Наук. - 2004. - Т.397. - №4. - С. 467-473.

14. Starik A.M., Savel'ev A.M., Titova N.S., Loukhovitskaya E.E., Schumann U., Effect of aerosol precursors from gas turbine engines on the volatile sulfate aerosols and ion-clusters formation in aircraft plumes // Physical Chemistry Chemical Physics. - 2004. - V.6. - №13. - P.3426-3436.

15. Starik A.M., Savel'ev A.M., Titova N.S. Plasmachemical processes in aviation combustor and features of pollutant formation / Материалы 2nd International Workshop on Cold Atmospheric Pressure Plasmas: Sources and Applications. -2005,- P. 118-122.

16. Starik A.M., Savel'ev A.M., Titova N.S., Rein O.E. On mechanism of engine soot particle activation to be a water condensation nuclei / European Aerosol Conference. Belgium. - 2005. - P. 314.

17. Starik A.M., Savel'ev A.M., Titova N.S., Rein O.E. Modeling studies of charged nanoparticles formation in combustion plasma and in the aircraft plumes / Nonequilibrium process in combustion and plasma based technologies. International workshop. Minsk. - 2004. - P.217-225.

18. Поповичева О.Б., Персианцева Н.М., Зубарева Н.А., Шония Н.К., Старик A.M., Савельев A.M. Сажевые аэрозоли в верхней тропосфере: свойства и последствия эмиссии авиации. Препринт НИИЯФ МГУ-2005-17/783. -

2005. -82р.

19. Starik A.M., Popovicheva О.В., Savel'ev A.M., Titova N.S., Reyn O.E. On the effects of processes inside the engine and in the exhaust plume on the CCN activation of combustion particles // Chemical Engineering Transactions. -

2006.-V.10. - P. 541-546.

20. Cenian A., Chemukho A.P., Migoun A.N., Titova N.S., Starik A.M., Savel'ev A.M. Dependence of ion concentration on propane/air ration in flames / Nonequilibrium processes in combustion and plasma based technologies. International Workshop. Minsk. - 2006. - P. 56-60.

21. Савельев A.M., Старик A.M. Особенности взаимодействия ионов и электронов с наночастицами в плазме, образующейся при горении углеводородного топлива // Журнал технической физики. - 2006. - Т.76. -№4.-С.53-60.

22. Rodrigues J.M., Agneray A., Jaffrézic X., Bellenoue М., Labuda S., Leys С., Chemukho А.Р., Migoun A.N., Cenian A., Savel'ev A.M., Titova N.S., Starik A.M. Evolution of charged species in propane/air flames: mass-spectrometric analysis and modeling / Plasma Sources Science and Technology. -2007. -V.16. - P. 161-172.

23. Slonija N.K. Popovicheva O.B., Persiantseva N.M., Savel'ev A.M., Starik A.M. Hydration of aircraft engine soot particles under plume conditions: Effect of sulfuric and nitric acid processing // Journal of Geophysical Research. -2007. - V. 112. -D02208. doi:10.1029/2006JD007217. -P. 10.

24. Starik A.M., Savel'ev A.M., Titova N.S. Combustion assisted plasma-chemical processes and environmental effects // Transactions of the Institute of Fluid-Flow Machinery. - 2007. -№ 119. - P.89-102.

25. Starik A.M., Savel' сv A.M., Titova N.S. Kinetic processes in combustion dusty plasma / Материалы 28th International Conference on Phenomena in Ionized Gases (ICPIG). - 2007. - 9p.

26. Starik A.M., Savel'ev A.M., Titova N.S. Kinetics of formation and charging of clusters and nanoparticles in hydrocarbon/air flames / Материалы 2nd International Conference on the Physics of Dusty and Burning Plasmas. -2007.-P. 119-124.

27. Савельев A.M., Старик A.M., Титова H.C., Фаворский O.H. Особенности формирования заряженных и нейтральных наночастиц в углеводородно-воздушных пламенах // Доклады Академии Наук. - 2008. - Т.420. - №6. -С. 752-757.

28. Starik A.M., Savel'ev A.M., Titova N.S. Formation of charged nanoparticles in hydrocarbon flames: principal mechanisms // Plasma Sources Science and Technology. 2008,-V.17.- №4,- P.045012.1-045012.8.

29. Савельев A.M., Старик A.M. О механизмах коагуляции заряженных наночастиц, образующихся при горении углеводородных и металлизированных топлив // Журнал экспериментальной и теоретической физики. -2009. -Т.135,- №2. -С.369-384.

30. Starik A.M., Savel'ev A.M., Titova N.S. Mechanisms of charged nanoparticle formation in complex burning plasmas / Nonequilibrium phenomena, edited by G. Roy, S. Frolov, A. Starik. Moscow, Torus Press. - 2009. - P. 125-131.

Подписано в печать 9.11.2010 г. Печать офсетная. Бумага офисная. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100. Заказ № 427.

Отпечатано: РИО ВоГТУ, г. Вологда, ул. Ленина, 15

Введение.

1.Обзор литературы.

1.1 Влияния эмиссии аэрозольных частиц самолетами реактивной авиации на атмосферу и климат Земли.

1.2 Образования электрически-заряженных сажевых частиц при горении углеводородного топлива в смесях с воздухом.

1.3 Сульфатный аэрозоль в выхлопной струе и следе турбореактивного двигателя. Проблемы интерпретации механизмов образования летучих частиц при большом содержании серы в топливе.

1.4 Ультрадисперсные аэрозоли. Константы скоростей основных процессов, определяющих их эволюцию.

2.Основные механизмы определяющие эволюцию ультрадисперсных заряженных аэрозолей.

2.1. Ультрадисперсные заряженные аэрозоли. Общая характеристика.

2.2 Скорость коагуляции частиц ультрадисперсного аэрозоля.

2.3 Зарядка конденсированных частиц, обусловленная захватом ионов и электронов дисперсионной среды.

2.4 Захват заряженными конденсированными частицами полярных молекул дисперсионной среды.

2.5 Влияние сил Ван-дер-Ваальса на скорость конденсационного роста нейтральных частиц ультрадйспёрсного аэрозоля.

3. Образование электрически-заряженных сажевых частиц в продуктах горения углеводородного топлива в смесях с воздухом.

3.1 Электрическая зарядка сажевых частиц за счет захвата ионов и электронов.

3.2. Роль термоэлектронной эмиссии в процессе формирования заряженных сажевых частиц. 'Ч V

4. Формирование фракции крупных летучих частиц в струе ТРД при большом содержании серы в топливе.

4.1 Регистрация фракции крупных летучих частиц в струе ТРД. Попытка интерпретации результатов измерений с позиций классической теории бинарной гомогенной Н20/Н28С>4 нуклеации.

4.2 Применение эмпирических данных о термодинамических свойствах реакций кластеризации для моделирование начальной стадии образования нейтральных кластеров.

4.3 Моделирование образования электрически-заряженных сульфатных частиц в струе ТРД.

4.4 Влияние молекулярных сил на скорость коагуляции частиц.

5. Выводы.

Существенным фактором антропогенного воздействия реактивной авиации на атмосферные процессы и климат является эмиссия аэрозольных частиц. Важное место среди них занимают сажевые частицы, способные влиять на атмосферу и климат за счет формирования долгоживущих конденсационных следов. Экспериментальным путем установлено, что центрами конденсации водяных паров при формировании видимого конденсационного следа самолета являются частицы гидрофильной фракции сажевого аэрозоля.

Причины гидрофильности части сажевых частиц долгое время оставались непонятыми и были источником разнообразных гипотез. Выполненные недавно детальные исследования физико-химических свойств сажи позволили связать гидрофильность сажевых частиц с наличием в их составе водорастворимых веществ (ВРВ). В то же время, эти исследования поставили« новые вопросы: каковы причины появления молекул ВРВ на саже? Почему молекулы ВРВ обнаружены только у части сажевых частиц? Почему эти молекулы регистрируются только на саже, образующейся в камерах сгорания (КС) турбореактивных двигателей (ТРД), но не, например, в ламинарных пламенах? Пока эти, а также многие другие вопросы остаются открытыми.

По мнению ряда исследователей, накопление ВРВ на саже происходит непосредственно в КС и напрямую связано с другим феноменом -электрической зарядкой частиц сажи. Предполагается, что аккумуляция ВРВ на саже обусловлена зарядово-дипольным взаимодействием заряженных сажевых частиц и полярных молекул продуктов сгорания, поступающих в зону зарядки частиц сажи с обратными токами. Проверка этой гипотезы может быть выполнена путем моделирования всего комплекса процессов, возникающих при горении углеводородного топлива, включая образование заряженных сажевых частиц. Однако такое моделирование должно предваряться исследованием природы феномена электрической зарядки сажевых частиц.

Поэтому изучение механизмов образования электрически заряженных сажевых частиц представляет первостепенный интерес.

Еще одним типом аэрозольных частиц, загрязняющих атмосферу при полетах реактивной авиации, являются частицы сульфатного аэрозоля (СА), представляющего собой мельчайшие капельки водного раствора серной кислоты. Частицы СА образуются в струе за счет конверсии серы, содержащейся в топливе, в оксиды серы в камере сгорания и, затем, в серную кислоту, при расширении продуктов горения в турбине и сопле. Частицы СА могут влиять на атмосферные процессы как косвенно, через увеличение планетарного альбедо, так и прямо, за счет гетерогенных реакций, протекающих на их поверхности. Особое место среди данных реакций занимают реакции, в которых образуется молекулярный хлор, способный фотодиссоцировать и вступать в реакцию с атмосферным озоном. Считается, что именно эти реакции лежат в основе механизма гибели атмосферного озона1, в полярных областях Земли. Эмиссия'авиацией частиц С А может инициировать подобный процесс в умеренных широтах, где проходят основные трассы-полетов самолетов реактивной авиации. Для количественной оценки скорости этого процесса необходима информация о свойствах сульфатных частиц,.таких,, как концентрация, распределение по размерам, химический состав. Это требует создания моделей образования сульфатных частиц в выхлопной струе-турбореактивного двигателя прогностического уровня. Первоначально все модели образования СА базировались на классической теории гомогенной бинарной Н20/Н2804 нуклеации (ГБН). Сопоставление результатов расчетов по этим моделям с данными измерений выявили существенное расхождение, особенно в части, касающейся образования крупных частиц. Мнение научного сообщества о механизмах образования этих частиц разделилось. На сегодня доминирующей стала точка зрения, согласно которой крупные частицы образуются в результате ионно-индуцированной нуклеации (ИИН) паров Н20 и Н2804. Однако модели, которые использовались для обосновании ведущей роли ИИН, базировались на целом ряде весьма спорных допущений. В последнее время, в связи с появлением нового поколения теорий нуклеации, основанных на данных о термодинамических функциях реакций кластеризации, полученных методами вычислительной квантовой химии или экспериментально, появилась возможность более точно установить роль ИИН при образовании частиц СА.

Целью работы является: (а) создание новых и развитие существующих методов расчета скоростей процессов, определяющих эволюцию частиц ультрадисперсных заряженных аэрозолей; (б) определение механизма образования заряженных сажевых частиц при горении углеводородного топлива в воздухе; (в) создание физико-математической модели формирования сульфатного аэрозоля в струях самолетов реактивной дозвуковой авиации и исследование влияния ионно-индуцированной нуклеации паров Н2О и Н2804 на формирование сульфатных частиц; (г) определение механизмов формирования частиц СА в выхлопных струях ТРД.

Основные задачи исследования: (а) анализ процессов, определяющих эволюцию конденсированных частиц ультрадисперсных заряженных аэрозолей, образующихся при горении углеводородного топлива в воздухе, а также в продуктах выхлопа ТРД; (б) развитие методики расчета констант коагуляции нейтральных и заряженных частиц в свободно-молекулярном режиме, основанной на концепции сферы захвата; (в) создание методики расчета скорости осаждения полярных молекул на заряженных частицах, базирующейся на траекторных расчетах; (г) создание методики расчета скорости конденсации в свободно-молекулярном режиме с учетом действия молекулярных сил со стороны капли на молекулы пара; (д) создание физико-математической модели образования'полидисперсного ансамбля электрически заряженных и нейтральных сажевых частиц при горении углеводородного топлива в воздухе; (е) исследование динамики формирования сажевых частиц в пламенах и определение механизмов, ответственных за зарядку частиц сажи; ж) построение физико-химической модели образования СА в выхлопных струях ТРД прогностического уровня, описывающей образование и рост как нейтральных, так и заряженных сульфатных частиц; (з) определение влияния ИИН паров Н20/Н2804 на суммарное распределение частиц СА по размерам и исследование механизмов формирования фракции крупных сульфатных частиц в выхлопных струях ТРД.

Научная новизна: (а) разработана физико-химическая модель образования электрически заряженных частиц сажи в ламинарном углеводородно-воздушном пламени; (б) создана математическая модель и разработан численный алгорщм, решения1 системы кинетических уравнений, описывающих образование полидисперсного ансамбля нейтральных и заряженных сажевых частиц, базирующийся на методе фракций; (в) выполнено сравнение результатов моделирования образования заряженных частиц сажи с экспериментом и определена роль различных механизмов в формировании заряженных сажевых частиц; (г) разработана физико-математическая модель образования частиц СА в выхлопных струях ТРД, основанная на теории нестационарной ионно-индуцированной НгО/НгЗС^ нуклеации, описывающая рождение и рост заряженных и нейтральных сульфатных частиц; (д) на основе модели образования частиц СА в4 выхлопных струях ТРД выполнен анализ влияния ионно-индуцированной нуклеации на эмиссию сульфатных частиц, а также получены новые данные о механизме формирования фракции крупных сульфатных частиц.

На защиту выносятся: (1) методики расчета констант скоростей процессов, определяющих эволюция ультрадисперсных заряженных аэрозолей; (2) модель образования заряженных и нейтральных сажевых частиц при горении углеводородного топлива в воздухе; (3) роль механизмов, основанных на захвате ионов и термоэлектронной эмиссии, при образовании заряженных сажевых частиц; (4) модель образования нейтральных и заряженных частиц СА в выхлопных струях ТРД; (5) характер влияния ионно-индуцированной нуклеации на формирование сульфатного аэрозоля в струе и следе ТРД; (6) роль межчастичного взаимодействия, обусловленного силами Ван-дер-Ваальса, на образование сульфатных частиц.

Научная и практическая значимость работы. Решение поставленных в работе задач обеспечивает более полное представление о физико-химических процессах, происходящих при горении углеводородных топлив в пламенах, в камерах сгорания, а также о микрофизических процессах в выхлопных струях энергоустановок и авиационных газотурбинных двигателей. Разработанные модели и комплексы программ могут использоваться для оценки эмиссии в атмосферу сульфатных аэрозолей и уже используются в рамках проекта Европейского Сообщества НКАС (2005-2009гг.) для определения эмиссионных характеристик перспективного ТРД, которым предполагается оснастить новое поколение самолетов «бизнес-класса», и для определения сценариев воздействия полетов парка такого типа самолетов на атмосферные процессы и климат. Возможно также использование разработанных физико-математических моделей в методах диагностики пламен, процессов горения и пиролиза углеводородных топлив и использование комплексов компьютерных программ для оценки эмиссии аэрозольных частиц реактивными двигателями на этапе их проектирования на Российских предприятиях аэрокосмической отрасли. Полученные в работе результаты имеют значение не только в исследованиях эмиссионных характеристик ТРД, но и для атмосферной химии, для анализа механизмов образования твердых и жидких заряженных наночастиц в различных системах: разряд, пиролиз, лазерная абляция, атмосфера и др., для прогнозирования эмиссии аэрозольных частиц двигателями различных транспортных систем (ДВС, дизели и др.).

1. Обзор литературы

1.1 Влияние эмиссии аэрозольных частиц самолетами реактивной авиации на атмосферу и климат Земли

Важной составной частью исследований антропогенного воздействия на атмосферу и климат является изучение влияния полетов реактивной авиации на газовый и аэрозольный состав нижней стратосферы. Общая масса выбрасываемых в атмосферу авиацией газов и аэрозолей много меньше эмиссии аналогичных продуктов промышленностью и энергетикой. Тем не менее, вопрос о влиянии полетов реактивной авиации на атмосферу имеет весьма актуальное значение, в виду того, что эмиссия авиацией газов и аэрозолей осуществляется непосредственно в тех слоях атмосферы, которые отличаются особой восприимчивостью к разного рода воздействиям.

В настоящее время считается/ что влияние авиации на атмосферу и климат проявляется через два основных механизма - газофазный и гетерогенный [1]. Первый включает в себя разнообразные химические и фотохимические процессы с участием газовых компонентов продуктов горения. Важнейшее место среди них занимают разнообразные циклические процессы, в которых происходит разрушение Оз и, в первую очередь, цикл с N0, Ж)2 [2]. Роль инертных компонентов продуктов горения, Н20 и С02, в основном сводится к поглощению ИК-излучения поверхности Земли и, как следствие, к усилению парникового эффекта. Однако, эмиссия парниковых газов может влиять косвенно и на химических состав атмосферы. Так, поглощение ИК-излучения Земли в нижней стратосфере ведет к выхолаживанию более высоких слоев стратосферы. Следствием этого является более интенсивное образования стратосферных сульфатных аэрозолей и расширение области формирования полярных стратосферных облаков, на частицах которых протекают различные гетерогенные реакции [3,4].

Гетерогенный механизм обусловлен высокой гетерогенной активностью аэрозольных частиц по отношению к целому ряду атмосферных газов, а также способностью аэрозольных частиц влиять на радиационный баланс атмосферы. По современным представлениям, турбореактивный двигатель (ТРД), потребляющий в качестве топлива авиационный керосин, продуцирует на крейсерском режиме полета (высота Н=1 1км, число М=0,8) следующие аэрозоли: 1) сажевый аэрозоль, 2) сульфатный аэрозоль и 3) органический аэрозоль [1,5-8]. Особую подсистему сажевого аэрозоля образуют ледовые частицы конденсационного следа или контрейла [9]. Надо отметить, что до определенного времени не было четкого понимания механизмов формирования контрейла. Лишь после того, как в полетных условиях было зарегистрировано значительное количество углерода в ледовых частицах контрейла [10], стало понятно, что прекурсорами ледовых частиц являются частицы сажи. Однако, далеко не все частицы сажи могут выступать в роли- облачных ядер конденсации. Измерения показали, что концентрация ледовых частиц составляет приблизительно 50% от общей концентрации, нелетучих частиц, регистрируемых в струе ТРД [11]. Следовательно, частицы сажевого аэрозоля, эмитируемые в атмосферу ТРД; можно- разделить на две фракции, в зависимости от их способности быть облачными ядрами конденсации — гидрофобную и гигроскопичную.

В настоящее время твердо установлена корреляция между массовой концентрацией частиц сажи в атмосферном аэрозольном слое и количеством потребляемого авиацией топлива [12,13]. Считается, что влияние эмиссии сажевых частиц на климат обусловлено формированием долгоживущих конденсационных следов (прямой эффект) и инициированием образования перистых облаков (непрямой эффект) [9,14], частицы которых существенно влияют на альбедо Земли.

После открытия гигроскопичной фракции сажевых частиц исследователи, полагая всю сажу, продуцируемую воздушно-реактивным двигателем, гидрофобной; предположили существование некоторого механизма активации сажи в выхлопной струе. Первоначально в качестве такого механизма предлагалась адсорбция частицами сажи-молекул Н2804 [15]. Однако, измерения характеристик контрейла при разном содержании серы в; топливе поставили это предположение под сомнение [16].

Значительный вклад в решение задачи об активации сажевых частиц, образующихся в ТРД, внесла группа российских исследователей из МГУ и ЦИАМ, выполнившая большой объем экспериментальных исследований сажевых частиц [17-19]. В ходе данных исследований была установлена важная отличительная особенность сажевых частиц, образующихся в камерах сгорания (КС) ТРД — наличие на их поверхности молекул ВРВ, существенно увеличивающих гигроскопичность сажи. По результатам этих работ была высказана гипотеза; согласно которой накопление молекул ВРВ: на саже связано с электрической зарядкой'сажевых частиц [9]. Феномен электрической зарядки сажевых частиц зарегистрирован как в углеводородо-воздушных пламенах, так и непосредственно в КС ТРД [20-22]: Согласно [9], накопление ВРВ* обусловлено - зарядово-дипольным взаимодействием полярных молекул продуктов сгорания с заряженными частицами сажи,, которое происходит в зонах КС с большим недостатком кислорода. В эти зоны продукты, сгорания поступают с обратными^ токами. Для. проверки данной гипотезы. необходимо установить механизм электрической зарядки сажевых частиц в КС ТРД, оценить заряд частиц, и, исходя из его величины, определить скорость осаждения полярных молекул на поверхность заряженных сажевых частиц.

Выполненные в полетных условиях измерения в струе и следе показали, что доля жидких летучих частиц сульфатного и органического аэрозолей во всей совокупности дисперсных продуктов, эмитируемых ТРД в атмосферу, может достигать 75% [5,23,24]. Частицы сульфатного аэрозоля - (СА) представляют собой мельчайшие капельки раствора Н20/Н28 04. Они образуются в струе и следе ТРД вследствие конверсии серы, содержащейся в топливе, в Н2804 [7,8,25]. В настоящее время считается, что частицы С А могут влиять на атмосферу и климат как косвенно, через изменение альбедо Земли [26], так и непосредственно, через гетерогенные реакции, протекающие на поверхности и в объеме частиц С А [1,27]. Среди этих реакций важнейшее место занимают следующие четыре [27]

1)Н205 + Н20=2НН0з, 2) С10М02 + Н20=Н0С1+НЫ03, 3) С10Ж)2 + НС1=С12+НЖ)з, 4) НОС1+НС1= С12+Н20.

Первая реакция данного блока вносит существенный вклад в гетерогенную химию атмосферы через конверсию активных окислов азота в ЬЕЫОз. Надо отметить, что уменьшение концентрации атмосферного N^5 и увеличение концентрации НКЮз было экспериментально зарегистрировано при извержении вулкана Пинатубо [28], после которого наблюдалось многократное увеличение концентрации частиц сульфатного стратосферного аэрозоля вследствие выброса вулканических газов [29]. Наиболее важными, с точки зрения антропогенного воздействия на атмосферу, являются три последние реакции, в которых происходит образование НОС1 и С12 Данные соединения способны фотодиссоцировать при увеличении интенсивности солнечной радиации в летний период с образованием атомов С1, что ведет, в итоге, к ускорению атмосферного цикла разрушения озона через формирование окислов хлора, СЮ и С1202 [1]. Предполагается, что приведенный выше блок гетерогенных реакций составляют основу механизма, ответственного за разрушение озонового слоя в так называемых полярных стратосферных облаках (ПСО) в высоких широтах на высотах от 20 км и выше [1]. Если это предположение соответствует действительности, то тогда эмиссия сульфатного аэрозоля инициирует подобный процесс в умеренных широтах на высотах 8-12км где проходят основные трассы дозвуковой пассажирской авиации. Для количественной оценки воздействия эмиссии сульфатного аэрозоля на атмосферу и климат необходимо иметь детальную информацию о концентрации и характере распределения сульфатных частиц по размеру и химическому составу.

Органический аэрозоль является пока наименее изученным среди аэрозолей, продуцируемых воздушно-реактивными двигателями. Его существование было установлено косвенно при измерениях аэрозольных частиц в выхлопных струях самолетов, потребляющих топливо с очень малым содержанием серы, при котором концентрация сульфатных частиц незначительна [7]. Установлено, что частицы этого аэрозоля, как и сульфатного, имеют размер не более 20нм. Предполагается, что они представляют собой капельки водного раствора альдегидов, но экспериментального подтверждения эта гипотеза пока не получила [7].

Выводы

1. Проведен анализ механизмов коагуляции как заряженных, так и нейтральных кластеров и сажевых частиц, образующихся при горении углеводородных топлив. Получены соотношения для вычисления констант скорости коагуляции в свободно молекулярном режиме, как для заряженных, так и нейтральных частиц нанометрового размера при действии между частицами Ван-дер-Ваальсовских, кулоновских и поляризационных сил.

2. Показано, что действие поляризационных сил между даже однократно заряженной и нейтральной частицами приводит к значительному (до 10) раз увеличению, по сравнению с обычной газокинетической константой скорости коагуляции. Более того, действие Ван-дер-Ваальсовских и поляризационных сил между одноименно заряженными частицами может привести к подавлению кулоновского отталкивания частиц и стимулировать коагуляцию частиц даже с одинаковыми зарядами. Эти эффекты наиболее сильно проявляется- при взаимодействии частиц с различными размерами.

3. Установлено, что за счет взаимодействия заряженной дисперсной частицы с дипольным моментом полярной1 молекулы, обладающей большим запасом собственной вращательной энергии, вращение молекулы вокруг осей инерции приобретает ярко выраженный неравномерный характер, при котором положению, отвечающему минимуму потенциальной энергии, соответствует наибольшая угловая скорость вращения молекулы. Вследствие этого, на молекулу ¿'большим запасом вращательной энергии будет действовать со стороны частицы сила отталкивания, а не притяжения. Определение констант скоростей захвата дипольных молекул на основе траекторных расчетов с учетом этого эффекта показало, что аналитические формулы, основанные на осредненном потенциале полярной молекулы в поле частицы, завышают величину константы скорости. Для нанометровых частиц погрешность определения константы скорости может составлять фактор равный 2.

На основе численного моделирования показано, что - резкое уменьшение концентрации ионов в момент начала формирования сажевых частиц в пламени, наблюдаемое экспериментально, вызвано прилипанием ионов к сформированным частицам. Основной механизм зарядки кластеров и сажевых частиц - прилипание ионов С2Н30+, С3Н3+ и НС03" к первичным кластерам и вторично сформированным частицам, в то время как термоэлектронная эмиссия не играет существенной роли в образовании заряженных частиц, как полагалось ранее.

Разработана новая модель нестационарной ионно-индуцированной нуклеации и формирования жидких сульфатных аэрозольных частиц, рассматривающей образование сульфатных кластеров, как заряженных Н804~(Н2804)Х(Н20)У, так и' нейтральных (Н2804)Х(Н20)У, на основе кинетического подхода. Модель включает кинетику формирования ион-молекулярных ассоциатов Н804~(Н2804)(Н20), ШОДНМЗз), К0ДНШ3)(Н20) и. Н30+(Н20)п," (п=1-6), а также нейтральных и отрицательно 'заряженных' сульфатных кластеров (Н2804)х(Н20)у и Н804~ (Н28О4)Х(Н20)У с учетом как процессов прилипания мономеров к кластерам (конденсация), так и процессов их отлипания (испарение) на основе рассчитанных термодинамических функций» кластеров. На основе численного моделирования установлено, что при умеренном содержании, серы в топливе в выхлопной струе формируются как нейтральные, так и отрицательные сульфатные кластеры с большим числом молекул Н2804 и Н20 в кластере. При этом нейтральные кластеры составляют моду относительно мелких кластеров с небольшим содержанием мономеров Н28С>4 и Н20 в кластере, а отрицательно заряженные кластеры образуют моду более крупных отрицательно заряженных сульфатных частиц.

7. Показано, что образование сульфатных частиц при большом содержании серы в топливе определяется, в основном, гомогенной бинарной нуклеацией паров НгО и Н2804. При этом зарегистрированная в полетных экспериментах достаточно большая величина индекса эмиссии крупных частиц с £) > 14 нм объясняется ускорением коагуляции нейтральных частиц С А за счет действия сил Ван-дер-Ваальса между частицами, а не ионно-индуцированной нуклеацией, как считалось до недавнего времени.

1. Johnston H.S., Kinninson D.E., Wuelbles D.J. Nitrogen oxides from high-altitude aircraft: An update of potential effects on ozone // J. Geophys. Res. 1989. V.94. № D13. P.16.351-16.363.

2. Pitari G., Palirmi S., Visconti G., Prinn R.G. Ozone response to a CO2 doubling: results from a stratospheric circulation model with heterogeneous chemistry // J. Geophys. Res. 1992. V.97. № D5. P.5953-5962.

3. Austin J., Butchart N., Shine P. Possibility of an Arctic ozone hole in a doubled-C02 climate//Nature. 1992. V.360. № 6401. P.221-225.. U" i i 1 .j . •

4. Shroder F.P., Karcher В., Petzold A., et. al. Ultrafine aerosol particles in aircraft plumes: In situ observations // Geophys. Res. Lett. 1998. V.25. № 22. P.2789:1 1

5. Yu F., Turco R.P., Karcher В., Schroder F. P. On the mechanisms controlling the formation and properties, of volatile particles in aircraft wakes // Geophys. Res. Lett: 1998. V.25. №.20. P.3839-3842.

6. V . ч " I > 1., Prim : к ■

7. Schumann U., Arnold F., Busen R. Curtius J. et. al. Influence of fuel sulfur on. . ' 1the composition of aircraft exhaust plumes: The experiments SULFUR 1-7 // J:. Geoph. Res. 2002. V.107. № D15, P.AAG2.1-AAC2.27

8. Karcher B. Aviation-Produced Aerosols and contrails // Surveys in Geophysics. 1999. V.20. №2. P.l 13-167.Л

9. Поповичева О.Б., Старик A.M. Авиационные сажевые аэрозоли: физико. ' : К-;'-,химические свойства и последствия эмиссии в атмосферу (обзор) // Изв. РАН. Физ. атмосферы и океана. 2007. Т.43. №2. с. 147-164.

10. Petzold A. Strom J., Ohlsson S., Schroder F.P. Elemental composition andmorphology of ice-crystal residual particles in cirrus clouds and contrails //1. К '

11. Atmos. Research. 1998. V.49. №l.P.21-34.

12. Hundson J., Xie Y. Cloud condensation nuclei measurements in the high troposphere and jet aircraft exhaust // Geophys. Res. Lett. 1998. V. 25. №.9. P.1395-1398.

13. Blake D. F., Kato K. Latitudinal distribution of black carbon soot in the upper troposphere and lower stratosphere // J. Geophys. Res. 1995. V.100. №D4. P.7195-7202.

14. Pueschel R.F., Boering K.A., Verma S. et al. Soot aerosol in the lower stratosphere: Pole-to-pole variability and contributions by aircraft // J.Geophys. Res. 1997. V. 102. № Dll. P.13113-13118.

15. Karcher В., et al. Insights into the role of soot aerosols in cirrus cloud formation //Atmos. Chem. Phys. 2007. V.7. №16. P.4203-4227.

16. Karcher В., Peter Th., Biermann U.M., Schumann U. The initial composition of jet condensation trails // J. Atmos. ^cience. 1996. V. 53. №21. P.3066-3083l ^ ' s

17. Schumann U., Strom J., Busen R. et al. In situ observations of particles in jett ,1 ; ' 'aircraft exhausts and contrails for different sulfur-containing fuels // J. Geophys. Res. 1996. V. 101. №.D3. P.6853-6869.

18. Popovitcheva O.B., Persiantseva N.M., et al. Experimental characterization of aircraft combustor soot: microfracture, surface area, porosity and water adsorption // Phys. Chem. Chem. Phys. 2000'. V.2. №.19. P:4421-4426.

19. Персианцева H.M. Поповичева О.Б., Старик A.M1. О. гидрофильности сажевых частиц, образующихся в камере сгорания реактивного двигателя // Письма в ЖТФ. 2000: Т. 26. №18. С.50-56.

20. Popovicheva О.В. Persiantseva N.M., et al. Direct effect of aircraft soot emission: a laboratory view. Nonequilibrium processes. Plasma, aerosol, and atmospheric phehomena: V.2 / Eds.: G. Roy, S. Frolov, A. Starik. Moscow. Torus Press. 2005. P.215-224.

21. Onischuk A A., d'Alessio S. Karasev V.V. et al. Formation of charged soot aggregates by combustion and pyrolysis: supra equilibrium charge distribution and photophoretic motion // J. Aerosol. Sci. 2003. V. 34. №4. P.383-403

22. Maricq M. Size and charge of soot particles in rich premixed ethylene flames // Combust. Flame. 2004. V.137. №3. P.340-350.

23. Sorokin A., Arnold F. Electrically charged small soot particles in the exhaust of> l \.IV, Ian aircraft gas-turbine engine combustor: comparison of model and experiment // Atmosph. Environment. 2004. V.38. №17. P.2611-2618.

24. Fahey D.W., Keim E.R., Boering K.A., et. al. Emissions measurements of the Concorde supersonic aircraft in the lower stratosphere // Science. 1995. V.270. № 5223. P.70-74.

25. Petzold A., Busen R., Schröder F.P. Near-field measurements on contrail properties from fuels with different sulfur content // J. Geophys. Res. 1997. V.102. №D25. P.29,867-29,880.

26. Kärcher B., et al. Ultrafine aerosol particles in aircraft plumes: Analysis of growth mechanisms // J. Geophys. Res. 1998. V.25. №15. P.2793-2796.

27. Lohmann U., Feichter J. Impact of sulfate aerosols on albedo and lifetime of clouds: A sensitivity study with the ECHAM4 GCM // J. Geophys. Res. 1997. V. 102. № D12. P.13,685-13,700.

28. Hendricks J., Lippert E., Petry H., Ebel A. Heterogeneous reactions on and in sulfate aerosols: Implications for thé chemistry of the midlatitude tropopause region//J. Geophys. Res. 1999. V. 104. №D5. P 5531-5550:m ;

29. Rinsland C.P., Gunson M.R., Abrams M.C. et. ah Heterogeneous conversion of N2O5 to HN03 in the post-Mount Pinatubo eruption stratosphere // J. Geophys. Res. 1994. V.99. №D4. P.8213-8219;• • . . ■ 1 t. I \ *

30. Pueschel R.F., Rüssel P.B., et. aL Physical and optical properties of the Pinatubo volcanic: aerosol:: aircraft observations with impactors a. nod: a Sun-tracking.phonometer // J: Geophys.Res. 1994: V.99. №D6; P. 12.915-12^922.

31. Apel J., Bockhorn H., Frenklaçh J. Kinetic modeling of soot formation; with detailed chemistry and physics: Laminar premixed flames of "G2 hydrocarbons // Combust. Flame. 2000. V. 121. №.1-2. P. 122-136.

32. Frenklaçh M:, Wang H. Detailed modeling of soot particle nucleation and growth // Proceedings Combust. Institute. 1991. V. 23. № 1. P.1559-1566.

33. Krestinin A.V. Detailed modeling of soot formation in hydrocarbon pyrolysis // Combust. Flame. 2000. V.121. №4: P.531-524.' 1

34. Vlasov P.A., Warnatz J. Detailed kinetic modeling of soot formation in hydrocarbon pyrolisis behind shock waves // Proceedings Combust. Institute. 2002. V. 29. P. 2335-2341.

35. Kittelson D.B., Pui D.Y.H., Moon K.C. Electrostatic collection of diesel particles. SAE Technical Paper Series: 860009. 12. 1986.

36. Maricq M. The dynamics of electrically charged soot particles in a premixed ethylene flame // Combust. Flame. 2005. V.141. №4. P.406-416.

37. Maricq M. A comparison of soot size and charge distributions from ethane, ethylene, acetylene, and benzene/ethylene premixed flames // Combust. Flame. 2006. V.144. №4. P.730-743.

38. Calcote H.F. Mechanisms of soot nucleation in flames. A critical review // Combust. Flame. 1981. V.42. P.215-242.

39. Calcote H.F., Keil D.G. The role of ions in soot formation // Pure Appl. Chem.1. OOP ' ■1990. V.62. №5. P.815-824.

40. Balthasar M, Mauss F., Wang H. A computational study of the thermal ionization of soot particles and its effect on-their growth in laminar premixed" flames-//" Combust. Flame. 2002. V.129. № 1-2. P.204-216.

41. Sorokin A., Arnold F. Electrically charged small soot particles in the exhaust of an aircraft gas-turbine engine combustor: comparison of model and experiment //Atmosph. Environment. 2004. V.38. №17. P.2611-2618.

42. Савельев A.M., Старик A.M. Особенности взаимодействия ионов и электронов с наночастицами в плазме, образующейся при горении углеводородного топлива // ЖТФ. 2006. Т.76. № 4. С.53-60.

43. Hall-Roberts V.J., Hayhurst A.N., Knight D.E., et al. The origin of soot in flames: is the nucleus an ion? // Combust. Flame. 2000. V.120. №4. P.578-584.

44. Hospital A. Roth. R. Twenty-Third Symposium (International) on Combustion. The Combustion Institute Pittsburg. 1990. P. 1573-1579.

45. Savel'ev A.M., Starik A.M., Titova N.S., Favorskii O.N. Mechanism of the electric charging of soot particles upon the combustion of hydrocarbon fuels // Doklady Physics. 2004. V.49. №8. P.441-446.

46. Starik A.M., Savel'ev A.M., Titova N.S. Formation of charged nanoparticles in hydrocarbon flames: principal mechanisms // Plasma Sources Sci. Technol. 2008. V.17. №4. P.045012.1-045012.8.

47. Brown R.C., Anderson M.R., Miake-Lye R.C. et. al. Aircraft exhaust sulfur emissions // Geophys. Res. Lett. 1996. V.23. №24. P.3603-3606.

48. Савельев A.M., Старик A.M., Титова H.C. Исследование динамики образования экологически вредных газов в элементах газотурбинного двигателя // ТВТ. 1999. Т.37. №3. С.495-503.

49. Calvert J.C., Stockwell W.R. S02, NO andN02 oxidation mechanisms: Atmosph. consideration //Ed J.G. Calvert. Boston. Buttervorth. 1984. P.l-62.

50. Karcher В., Peter Т., Ottmann R. Contrail formation: Homogeneous nucleation ofi

51. H2S04/H20 droplets // Geophys. Res. Lett. 1995. V.22. №12. P.1501-1504.

52. Brock C. A., Schroder F., Karcher B. et. al. Ultrafine particle size distributions measured in aircraft exhaust plumes // J. Geophys. Res. 2000. V.105. №D21. P.26,555- 26,567.

53. Yu F., Turco R. P., Karcher B. The possible role of organics in the formation andv'/ ll I •evolution, of ultrafine aircraft particles // J. Geophys. Res. 1999. V.104. №D41 P.4079- 4087.

54. Karcher В., Yu F., Turco R'. P. et. al. A unified model for ultrafine aircraft particle emissions //J. Geophys. Res.-2000: V.102. №D24. P.29.379-29.386.

55. Arnold F., Stilp Th., Busen R., Schumann U. Jet engine exhaust chemiion measurements: Implications for gaseous S03 and H2S04 11 Atmospheric Environment. 1998.V. 32. №18. P.3073.3077.

56. Kiendler A., Aberle S., Arnold F. Negative chemiions formed in jet fuel combustion: New insights from jet engine and laboratory measurements using a quadrupole ion trap mass spectrometer apparatus. // Atmos. Enviroment. 2000. V.34. №16. P.2623—2632.

57. Wohlfrom K.H., Eichkorn S., Arnold F. Et. Al. Massive positive and negative ions in the wake of a jet aircraft: Detection by a novel aircraft-based large ion mass spectrometer (LIOMAS) // Geophys. Res. Lett. 2000: V.27. №23. P.3853-3856.

58. Yu F., Turco R.P The role of ions in the formation and evolution of particles in aircraft plumes // Geophys. Res. Lett. 1997. V.24. №15. P.1927-1930.

59. Popovicheva O.B., Persiantseva N.M., Starik A.M., Loukhovitskaya E.E. Ion-soot interaction: a possible mechanism of ion removal in aircraft plume // J Environ Monit. 2003. V.5. №2. P.265-268.r

60. Ватажин А.Б., Старик A.M., Холщевникова E.K. Электрическая зарядка частиц сажи в выхлопных струях авиационных двигателей // Известия РАН МЖГ. 2004. №3. С.31-43.

61. Wu J., Menon S. Aerosol dynamics in the near field of engine exhaust plumes // J. Applied Meteorology. 2001. V.40. №4. P.795-809.

62. Schumann U., Schlager H.? Arnold F., et. al. Dilution of aircraft exhaust plumes1. V. И i 'at cruise altitudes // Atmosph. Environment. 1998.V.32. №18. P. 3097-3103".i . « ' * \ t i » * t 1

63. Савельев A.M., Старик A.M., Динамика образования сульфатных аэрозолей в струях реактивных двигателей. // Известия РАН МЖГ. 2001, № 1. С. 108

64. Зайчик Л.И., Лебедев А.Б., Савельев A.M., Старик A.M. Моделированиебинарной конденсации H2O/H2SO4 на основе Эйлерова метода фракций //t' •

65. ТВТ. 2000. Т.38. №1.С.81-90' » » '

66. Matlof G.L., Hoffert M.L. Computationally Fast One-Dimensional Diffusion-Photochemistry Model of SST Wakes // AIAA Journal. 1977. V.15. №8. P.1205.

67. Brown R.C., Miake-Lye R.C., Anderson M.K. et. al. Aerosol dynamics in near-field aircraft plumes // J. Geophys. Res. 1996. V.101. № D17. P.22939-22953

68. Ватажин А.Б., Козлов B.E., Старик A.M., Холщевникова E.K. Численное моделирование образования аэрозольных частиц в струях реактивных двигателей // Известия АН МЖГ. 2007. №1. С.39-50.

69. Аветисян А.Р., Алипченков В.М., Зайчик Л.И. Моделирование течения спонтанно-конденсирующегося влажного пара в соплах Лаваля // ТВТ. 2002. Т.40. №6. С.938

70. Lucashko S.P., Waitz I.A., Miake-Lye R.C. et. al. Production of sulfate aerosol precursors in the turbine and exhaust Nozzle of an aircraft engine // J. Geophys. Res. 1998. V.103. №D13. P.16159-16174.

71. Lebedev A.B., Secundov A.N., Starik A.M., et. al. Modeling study of gas-turbine> -I i». 1./. 1.1.combustor emission // Proceedings of the Combustion Institute. 2009. V.32. №2. P.2941-2947.

72. Фукс H.A., Сутугин А.Г. Высокодисперсные аэрозоли // Успехи химии. 1968. №11. С.1965.

73. Фукс Н.А., Сутугин А.Г. Высокодисперсныё аэрозоли. Итоги науки, серия' и1 '' ,

74. Физическая химия". Изд. АН СССР. 1969. -81с.

75. Brock J.R., Hidy G.M. Collision-Rate Theory and the Coagulation of Free-Molecule Aerosols //J. Appl. Phys. 1965. V.36. № 6. P.1857-1862

76. Karasev V.V, Onischuk A.A. et al. Formation of charged aggregates of A1203 nanoparticles by combustion of aluminum droplets in air // Combustion and Flame. 2004. V.138. № 1-2. P.40-54.

77. Jung H., Kittelson D.B. Measurement of Electrical Charge on Diesel Particles // Aerosol Sci. Techn. 2005. V.39. No. 12. P.l 129-1135.

78. Jensen E.J., et al. Charging of mesospheric particles: Implicationfs for electron density and particle coagulation // J. Geoph. Res. 1991. V.96. № D10. PЛ 8,603.

79. Jurac S., Baragiola R.A, Johnson R.E, Sittler E.C. Charging of ice grains by low-energy plasmas: application to Saturn's E ring // J. Geophys. Res. 1995. V.100. №.A8.P.14,821- 14,835.

80. Oort J.H., Van de Hulst H.C. Gas and smoke in interstellar space. Bull. Astron. Inst. Netherland. 1946; V.10. P.187-210.

81. Starik A.M., Savel'ev A.M., Titova N.S., Dusty Plasma in Applications.

82. Proceedings: of 2nd International Conference on- The: Physics of Dusty and. • ■ л- I .

83. Burning Plasmas. Odessa: 2007. P; 137-14186. Goedheer W.J: De Bleecker K. Modelling of dusty plasmas: A+M> data needs. . AIP Conf. Proc. May 27. 2005. V.77L P.l 18-127

84. Форгов В.E., Храпак А.Г., Храпак С.А., Молотков В.И., Петров О.Ф. Пылевая плазма // УФН. 2004. Т. 174. №5. С.495-544.

85. Цытович В.Н; Развитие физических представлений о взаимодействии плазменных потоков и электростатических полей в пылевой плазме // УФН. 2007. Т. 177. №4. С.427-472

86. Олеванов М.А., Манкелевич Ю.А. и др. Скорость коагуляции пылевых частиц в низкотемпературной плазме // ЖТФ. 2003. Т.73. №10. С.51-60:

87. Белов И.А., Иванов А.С., Иванов Д.А., Паль А.Ф., Старостин А.Н., Филиппов А.В. Распределение частиц по размерам в коагулирующей пылевой плазме // Письма в ЖТФ. 1999. Т.25. №15. С.89-95

88. Смирнов Б.М. Кластерная плазма // УФН: 2000. Т.170. №5. С.495-533.

89. Петрянов-Соколов И.В., Сутугин А.Г. Аэрозоли. М.: Наука. 1989. -144с

90. Стернин Л.Е. Основы газодинамики двухфазных течений в соплах. М.: Машиностроение. 1974. -212с

91. Волощук В.М., Седунов Ю.С. Процессы коагуляции в дисперсных системах. Л.:Гидрометеоиздат. 1975. -320с.

92. Сутугин А.Г., Лушников А.А. О моделировании коагуляции высокодисперсных аэрозолей // ТОХТ. 1975. № 2. С. 210-218.

93. Tzivion S., Feingold G., Levin Z. Evolution of Raindrop Spectra. Part I: Solution to the Stochastic Collection / Breakup Equation Using the Method of Moments // Journal of the Atmospheric sciences^ 1988. V.45. № 22. P.3387-3399.

94. Стернин Л.Е., Шрайбер A.A., Многофазные течения газа с частицами. М. Машиностроение. 1994.-320с.

95. Волков Э.П., Зайчик Л.И., Першуков В.А. Моделирование горения твердого топлива. М.: Наука. 1994. -320с.

96. Whitby E.R., McMurry Р.Н. Modal aerosol dynamics modeling // Aerosol Sci.

97. Tech. 1997. V. 27. №6. P.673-688.,' ' i , •

98. Волощук B.M., Кинетическая теория коагуляции. Л.:Гидрометеоиздат.>. -1984. -284с.

99. Болдарев А.С., Гасилов.В.А., Зайчик Л.И., и др. Численное моделирование квазиодномерных и двумерных, течений спонтанно конденсирующегося пара в трансзвуковых соплах // ТВТ. 1998. Т.36. №1. С.135-140.

100. Подвысоцкий A.M., Шрайбер А.А. Расчет неравновесного двухфазного течения с коагуляцией и дроблением частиц конденсата при произвольном распределении вторичных капель по массам и скоростям // Известия АН. МЖГ. 1975. №2. С.71-83.

101. Лушников А.А. Некоторые новые аспекты теории коагуляции // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1978. вып. 10. С. 1046-1055

102. Галкин В.А. Уравнение Смолуховского. М.: Физматлит. 2001. -336 с.

103. Telford, J. W. A new aspect of coalescence theory // J. Meteorol. 1955. V.12. №5. P.436-444. .

104. Huang D.D., Seinfeld J.H., Marlow W.H. BGK Equation Solution of Coagulation for Large Knudsen Number Aerosols with a Singular Attractive Contact Potential // J. Colloid and Interface Sci. 1990, V.140. №1. P.258-278.

105. Matsoukas T. Coagulation of charged aerosols // Journal of Nanoparticle Research. 1998. V.l. № 2. P. 185-495.

106. Савельев A.M., Старик A.M. О механизмах коагуляции заряженных наночастиц, образующихся при горении углеводородных и металлизированных топлив // ЖЭТФ. 2009. Т. 135. № 2. С.369-3841.* S

107. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М, Механика. М. Физматлит. 2001. -220с

108. Smythe, W.R., Static and Dynamic Electricity, 3rd. ed'., Chap. 5. McGraw Hill, New York. 1968.

109. Maxwell J.C., A Treatise on Electricity and Magnetism, vol 1. Chapt. 11. Academic Reprints Stanford, CA, 1953.

110. Hamaker H.C. The London-van der.Waals attraction between spherical particles //Physica. 1937. V.4. P.l058-1072.

111. Israelachvili J. Intermolecular and surface forces, Academic Press, London,1992.

112. Keefe D., Nolan P.J., Scott J. Influence of Coulomb and image forces on combination in aerosols. Proc. Royal Irish Acad. Sci. Section A: Mathematical and Physical Sciences. 1968. V.66. P. 17-29.

113. Hoppel W.A., Frick G.M. Ion-Aerosol Attachment Coefficients and the Steady-State Charge Distribution on Aerosols in a Bipolar Ion Environment // Aerosol Sci. Tech. 1986. V.5. №1 P.l-21.

114. Marlow W. Derivation of aerosol collision rates for singular attractive contact potentials //J. Chem. Phys. 1980. V.73. № 12.

115. Harris S.J, Kennedy I.M. The Coagulation of Soot Particles with van der Waals Forces // Combust. Sci. Tech. 1988. V. 59. №4-6. P.443-454.- , > I I > \ \ . V M

116. Jacobson M.Z, Seinfeld J.H. Evolution of nanoparticle size and mixing state near the point of emission // Atmospheric Environment 2004. V.38 №13. P. 18391850

117. Keefe D., Nolan P.J., Rich T. A. Charge equilibrium in aerosols according to the Boltzmann law. Proc. Royal Irish Acad. Sci. Section A: Mathematical and Physical Sciences. 1959. V.60. P.27-45.

118. Keefe D., et al. Combination coefficients of ions and nuclei. Proc. Royal Irish Acad. Sci. Section A: Mathematical and Physical Sciences. 1962. V.62. P43-54.

119. Brock J. Gentry G. Unipolar Diffusion Charging of Small Aerosol Particles // J. Chem. Phys. 1967. V.47. №1. P.64-70.r

120. Liu В., Whitby K.T., Yu. H. On the Theory of Charging of Aerosol Particles by Unipolar Ions in the Absence of an Applied Electric Field // J. Colloid Interface Sci. 1967. V.23. №3. P.367-378.

121. Натансон Г.JI. К теории зарядки( амикроскопических аэрозольных частиц в результате захвата газовых ионов // ЖТФ. 1960. Т.ХХХ. №5. С.573-588.

122. Fuchs N.A. On the stationary charge distribution on aerosol particles in bipolar ionic atmosphere // Geofísica Pura e Applicata. 1963. V.56. №1. P. 185-193

123. Hoppel W.A. Ion-Aerosol Attachment Coefficients, Ion Depletion, and tehi w

124. Charge Distribution on Aerosols // J. Geophys. Res. 1985. V.90. №D4. P.59715923.

125. Lushnikov A.A., Kulmala M. A kinetic theory of particle charging in the free-molecule regime // Aerosol Science. 2005. V.36. №9. P. 1069-1088.

126. Sodha M.S., Guha S. Physics of Colloidal Plasmas. In Advances in Plasma Physics. 1971. V.4.P.219-309.

127. Nadykto A.B., Yu F. Uptake of neutral polar vapor molecules by charged clusters particles: Enhancement due to dipole-charge interaction // J. Geoph. Res. 2003. V. 108. №D23 4717 doi:10.1029/2003JD003664

128. Физико-химические процессы в газовой динамике. Компьютеризованный1. Ч I I < <справочник в 3 т. Том1: Динамика физико-химических процессов в газе и плазме // Под. ред. Г.Г. Черного и С.А.Лосев М.: Изд-во Моск. ун-та, 1995.

129. Epstein P.S. On the Resistance Experienced by Spheres in their Motion through Gases//Phys. Rev. 1924. V.23.№ 6. P.710-733.

130. Millikan R., Phys. Rev., 1923, 21,1.

131. Stefan J. Wien. Ber. 83. 1881. P.943-957.

132. Фукс H.A. Испарение и рост капель в газообразной среде. М.:, Изд-во АН СССР. 1958. -92с.

133. Alipchenkov V, Zaichik L, Solov'ev A. Influence of Condensation on Coagulation of Aerosol Particles during Their Brownian and Turbulent Motion // J. Heat Transfer Research. 2004. V. 35. № (1/2). P99-107.

134. Ходатаев Я.К., Бингхем P., Тараканов В.П., Цытович B.H. Механизмы взаимодействия пылевых частиц в плазме // Физика плазмы. 1996. Т.22. №, . -Л-1 .11. С. 1028-1038.

135. Ландау Л.Д., Лифщиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. —М.: Наука, 1982, -620с

136. Крюков В.Г., Наумов В.И., Демин А.В., Абдуллин А.Л., Тринос Т.В. / Подред. В.Е.Алемасова. Горение и течение в агрегатах энергоустановок.1. I'" • м'!о\

137. Моделирование, энергетика, экология. .:МЯнус-К. 1997. -304с., ' 139í Трубников Б.А. Теория плазмы. М.:Энергоатомиздат. 1996: -439с.

138. Fialkov А.В: Investigations on Ions in Fláme // Prog. Energy Combust. Sci. 1997. V.23. № 5-6. P.399-528.

139. Rodrigues J.M., Agneray A., Jaffrézic X. et al. Evolution of charged species in propane/air flames: Mass-spectrometric analysis and modelling // Plasma Sources Sci. Technol. 2007. V.16. № 1. P:161-172.

140. Бронштейн И.Н., Семендяев K.A. Справочник по математике для" инженеров и учащихся втузов. М.: Наука, 1981, -719с.

141. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Высшая школа. 1999. -645с

142. Okuyama К., Kousaka Y., Hayashi К. Change in size distribution of ultrafine aerosol particles undergoing Brownian coagulation // J. Colloid and Interface Sci. 1984. V. 101. № 1. P.98-109.

143. Stratton, J.A. Electromagnetic theory. New York, London: McGraw Book Company. 1941.

144. Мелвин-Хьюз Э.Х. Физическая химия. М.: Изд-во иностранной литературы., 1962. -1148с.

145. Kiendler A., Arnold F. First composition measurements of positive chemiions in aircraft jet engine exhaust: detection of numerous ion species containing organic compounds // Atmos. Enviroment. 2002. V.36. № 18. P.2979- 2984.

146. Starik A.M., Savel'ev A.M., et al. Modeling of sulfur gases and chemiions in aircraft engines // Aerosp. Sci. Techn. 2002. V.6. P.63-81.

147. Prager J., Riedel U., Warnatz J. Modeling Ion Chemistry and Charged Species Diffusion in Lean Methane-Oxygen Flames. Proc. Comb. Inst. 2007. V.31. №1. P.l 129-1137.

148. Howard, J.B., Wersborg B.C., Williams G.C. Coagulation of Carbon Particles in Premixed Flame. Faraday Symposium of the Chemical Society. 1973. Chemical Society, P. 109-119.

149. Jain S.C. Krishnan K.S., The Thermionic Constants of Metals and Semiconductors. I. Graphite // Proceed. Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences. 1952. V. 213. № 1113. P.143-157

150. Vehkamaki H., Kulmala M. et al. An improved parameterization for sulfuric acid-water nucleation rates for tropospheric and stratospheric conditions // J. Geophys. Res. 2002. V.107. № D22. doi:l0.1029/2002JD002184

151. Kozlov V.E., Secundov A.N., et al., Axisymmetric turbulent compressible jets in subsonic wakes // Fluid Mechanics-Soviet Research: 1988. V.17. №1. P.93

152. Ochs H.T., et. al., Laboratory Measurements Of Coalescence Efficiencies for Small Precipitation Drops // J. Atmosph. Sci. 1986. V.43. №3. P.225-232.

153. Vancassel X., Sorokin A., Mirabel P., et. al. Volatile particles formation during» , * ' ' ' * ! ' '

154. PartEmis: a modelling study // Atmos. Chem. Phys. 2004. V.4. №2. P.439-447.

155. Van Dingenen R., Raes F. Determination of the condensation accommodation coefficient of sulfuric acid on water-sulfuric acid aerosol // Aerosol Sci. Technol. 1991. V.15. № 2. P.93-106.

156. Eisele F.L., Tanner D.J. Measurement of the- gas phase concentration of H2SO4 and methane sulfonic acid and estimates of H2SO4 production and loss in the atmosphere // J. Geophys. Res. 1993.V.98. № D5. P.9001-9010.

157. Weber R.J., Marti J.J., McMurry P.H. Measurements of new particle formation and ultrafïne particle growth rates at a clean continental site // J. Geophys. Res. 1997. V.102. № D4. P.4375-4385.

158. Jefferson A., et al. Measurements of the H2S04 mass accommodation coefficient onto polydisperse aerosol // J. Geophys. Res. 1997. V.102. № D15. P. 19.027.

159. Svanberg M., Ming L., Markovic N., et al., Collision dynamics of large water clusters//J. Chem. Phys. 1998. V.108. № 14. P. 5888-5897.

160. Ming-Liang L., et. al., Coalescence Behavior of Water Nanoclusters: Temperature and Size Effects // J. Phys. Chem: C. 2007. V.lll, № 19. P:6927-6932.

161. Kalweit M., Drikakis D. Collision dynamics of nanoscale Lennard-Jones clusters //Physical ReviewB. 2006. V.74. № 23. P.235415-1 235415-1 6*

162. Hanson D. R. Eisele F., Diffusion of H2S04 in Humidified Nitrogen: Hydrated H2S04 //J. Phys. Chem. A. 2000: V.104. P.1715-1719.

163. Viisanen Y., Kulmala M., Laaksonen A. Experiments on gas-liquid nucleation of sulfuric acid and water // J. Chem. Phys. 1997. V.107. P.920- 926.

164. Ball S.M., Hanson D.R., Eisele F.L. Laboratory studies of particle nucleation: Initial results for H2S04, H20, and NH4 vapor // J. Geophys. Res. 1999: V. 104. P. 23,709-23,718.

165. Hanson D.R., Lovejoy E.R. Measurement of the Thermodynamics of the• : • • 1 -v

166. Hydrated Dimer and Trimer of Sulfuric Acid // J. Phys. Chem. A. 2003. V.l 10. №31. P.9525-9528.

167. Kazil J., Lovejoy E.R. A semi-analytical method for calculating rates of new sulfate aerosol formation from the gas phase // Atmos. Chem. Phys. 2007. V.7. P.3447-3459.

168. Lovejoy, E. R., Curtius, J., Froyd, K. D. Atmospheric ion induced nucleation of sulfuric acid and water // J. Geophys. Res. 2004. V.109. D08204. doi: 10.1029/2003JD004460.

169. Brus D., Hyvarinen A. P., Viisanen Y., Kulmala M., Lihavainen H. Homogeneous nucleation of sulfuric acid and water mixture: experimental setup and first results // Atmos. Chem. Phys. 2010. V.10. P.2631-2641

170. Егоров Б.В., Кощеев A.B., Маркачёв Ю.Е., и др. Нейтральная и заряженная фракция в следе летательного аппарата в режиме предконденсации // Мат.моделирование. 2004. Т.6. № 6. С. 114-117.i

171. Arnold F., Curtius J., Sierau В., Burger V. Detection of massive negative chemiions in the exhaust plume of a jet aircraft in flight // Geophys. Res. Lett. 1999. V.26. №H. P.1577-1580.

172. Chan T.W., Mozurkewich M. Measurement of the coagulation rate constant fori •sulfuric acid particles as a function of particle size using tandem differential mobility analysis // J. Aerosol Sci. 2001. V.32. №3. P.321-339.

173. Ватажин А.Б., Лебедев А.Б., Мареев B.A. Математическое моделирование различных режимов конденсации в турбулентных изобарических струях //

174. Известия АН МЖГ. 1985. № 1. С.59-67.

175. Wilkins Е.М. Dissipation of Energy by Atmospheric Turbulence // J. Meteor. 1960. V.17. P.91-92.

176. Kurt Т., Loukonen V., Vehkam H., Kulmala M. Amines are likely to enhance neutral and ion-induced sulfuric acid-water nucleation in the atmosphere more effectively than ammonia // Atmos. Chem. Phys. Discuss. 2008. V.8. P.7455-7476.