Уравнения состояния и вязкость неидеальной плазмы сложного состава тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

Введение.

Глава I. Обзор литературы.

§ 1.1. Модели уравнения состояния неидеальной плазмы.

§ 1.2. Основные методы исследований коэффициента вязкости плотных газов и неидеальной плазмы.

§ 1.3. Постановка задачи.

Глава II Химические модели атомарной плазмы

Роль кулоновского взаимодействия.

§ 2.1. Бесконечно-компонентная химическая модель атомарной неидеальной плазмы.

§ 2.2. Вид поправок на взаимодействие в бесконечнокомпонентной модели атомарной неидеальной плазмы.

§ 2.3. Вывод химической модели атомарной плазмы

•■■-■-.■■■■. из точных асимптотических разложении по степеням активности в большом каноническом ансамбле.

§ 2 А Обсуждение результатов.

Глава III Ширикодиапазонная химическая модель неидеальной многокомпонентной плазмы.!.

§ 3.1. Термодинамические функции и уравнения ионизационного и диссоциативного равновесия в многокомпонентной химическиреагирующей"плазме.

§ 3.2. Экстраполяционные свойства широкодиапазонной химической модели.

§ 3.3. Основные результаты расчета термодинамических функций и состава химически активной плазмы--.-.

Глава IV Модель уравнения состояния термической пылевой плазмы.

§ 4.1. Дальнодействующий потенциал взаимодействия— между пылевыми частицами.

§ 4.2. Потенциал взаимодействия двух пылевых частиц.

§ 4.3. Оценка параметров уравнения состояния.

Глава V Расчет коэффициента вязкости неидеальной многокомпонентной плазмы методом кинетического уравнения.

§ 5.1. Расчет интегралов столкновений.

§ 5.2. Коэффициент вязкости многокомпонентных газовых смесей и частично ионизованной плазмы.

§ 5.3. Численный расчет коэффициента вязкости.

Актуальность темы

Для моделирования работы различных установок и устройств содержащих плотный газ или плазму в качестве рабочего тела, необходимо знание термодинамических функций, уравнения состояния, состава и коэффициентов переноса в широком диапазоне изменения внешних условий [1].

Хорошо известно, что уравнение состояния (УРС) - фундаментальная характеристика вещества, связывающая температуру, давление, объем и число молей газа в состоянии равновесия. Эта связь может выражаться не только в форме уравнения, но также графически или в виде таблиц.

На основе различных методов построения УРС в настоящее время разработано большое число моделей описывающих поведение вещества в широкой области фазовой диаграммы, но поиски надежных и строгих с точки зрения теоретического описания моделей продолжаются. Это связано не только с недостатками существующих УРС, но и с тем, что с разработкой плазменных систем постоянно расширяется как диапазон изменения основных параметров плазмы, так и номенклатура плазмообразующих веществ и смесей, при этом особенно актуальной становится проблема создания банков данных по термодинамическим. у ' ' оптическим и транспортным свойствам плазмы различных веществ и соединений широкого химического и ионизационного состава.

Цель работы

Построение моделей уравнения состояния и методик расчетов термодинамических функций, состава и коэффициентов переноса неидеальной низкотемпературной ' плазмы сложного состава. Проведение самосогласованного-расчета равновесных и кинетических свойств газов., и- плазмы с использованием единых. потенциалов взаимодействия между, частицами при расчете поправок на неидеальность в термодинамике и при расчете вязкости.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие основные задачи: . , . развить бесконечно-компонентную химическую модель атомарной плазмы с учетом высоковозбужденных состояний атома, согласующуюся с точными асимптотическими разложениями; установить вид и структуру кулоновских поправок к термодинамическим функциям; i' ■ вывести, из точных асимптотических разложении по степеням активности в большом каноническом ансамбле химическую модель атомарной плазмы, учитывающую вклад высоко возбужденных состояний электронов в атоме в приближении ближайшего соседа для атомной статистической суммы; модифицировать программный пакет для расчета равновесных характеристик многокомпонентной химически реагирующей плазмы для учета конфигурационных и корреляционных поправок на взаимодействие свободных зарядов; выполнить численный расчет термодинамических функций и состава плазмы чистых веществ и смесей, провести сравнение полученных результатов с экспериментальными и теоретическими данными других авторов; вычислить флуктуационно-дипольный потенциал взаимодействия пылевых частиц в термической плазме, оценить критические параметры и построить уравнение состояния

- 1-пылевои компоненты; ■ . ■ ■■ выполнить численный расчет интегралов столкновений для потенциала Леннарда-Джонса (12-4) и дополнить имеющиеся в литературе данные по вычислению интегралов столкновений для потенциала Леннарда-Джонса (12-6) в область низких температур; разработать программу для расчета коэффициента вязкости неидеальных газов и плазмы сложного состава в первом приближении теории Чепмена-Энскога; выполнить широкодиапазонный численный расчет коэффициента вязкости неидеальной многокомпонентной плазмы различных классов чистых веществ; провести сравнение результатов расчета с известными экспериментальными данными и численными расчетами других авторов.

Научная новизна работы —

• впервые получена бесконечно-компонентная химическая модель атомарной неидеальной плазмы, согласующаяся с точными асимптотическими разложениями й позволившая установить стр}ктуру кулоновских поправок; .

• разработана модель широкодиапазонного уравнения состояния неидеальных химически реагирующих сред: плотных газов и частично ионизованной плазмы; создан программный комплекс и проведены расчеты термодинамических функций и состава плотных химически реагирующих газовых и плазменных смесей широкого класса веществ;

• выполнены оценки критических параметров и параметров уравнения состояния пылевой компоненты, находящейся в термической плазме; выполнен численный расчет интегралов столкновений для потенциала Леннарда- Джонса (12-4); впервые проведен самосогласованный расчет равновесных и кинетических свойств газов и плазмы сложного состава с использованием единых потенциалов взаимодействия между частицами при расчете поправок на неидеальность в термодинамике и при расчете вязкости.

Научная и практическая ценность работы развитие модели бесконечно-компонентной атомарной плазмы, согласующейся с точными асимптотическими разложениями, позволило установить корреляционную и -конфигурационную, составляющие поправок на взаимодействие свободных зарядов в термодинамических величинах; . широко диапазонная химическая модель многокомпонентной неидеальнойу плазмы и разработанный на ее основе программный комплекс могут быть использованы для расчета термодинамических функций плазмы сложного состава, необходимых для решения широкого круга задач физики плазмы и физики ударно-волновых процессов, а также моделирования процессов в современных плазмо-химических технологиях; установленный флуктуационно-дипольный механизм взаимодействия пьшевых. частиц в термической плазме позволил оценить параметры образования упорядоченных j пылевых структур; таблицы интегралов столкновений нейтральных и заряженных частиц, вычисленные в диссертационной работе, могут быть использованы для расчета коэффициентов переноса тяжелых компонент в плазме; .-. созданный программный пакет для расчета коэффициента вязкости совместно с программой расчета термодинамических функций позволит создать банк данных по коэффйциёнту-вязкости неидеальных газов и плазмы сложного состава в широкой области изменения термодинамических параметров.

Защищаемые положения.структура и вид кулоновских поправок в термодинамическим функциям и уравнению ионизационного равновесия слабонеидеальной атомарной плазмы; 7 широкодиапазонная модель уравнения состояния и результаты расчета термодинамических функций неидеальных химически реагирующих сред - плотных газов и многокомпонентной плазмы сложного состава; флуктуационно-дипольный потенциал взаимодействия и оценка критических параметров пылевой компоненты в термической плазме; расчет интегралов столкновений для потенциала Леннарда-Джонса (12 -4); программный пакет и результаты расчета коэффициента вязкости неидеальной плазмы сложного состава в широкой области изменения внешних параметров.

Апробация работы

Результаты, полученные в диссертационной работе, докладывались на: IX и X Международных Научных школах-семинарах "Физика импульсных разрядов в Лконденсированных средах" - Николаев, 1999,2001; ежегодных сессиях совета по комплексной проблеме "физика низкотемпературной плазмы". 1999-2001; XV Международной Конференции "Уравнения состояния вещества" - Терскол, 2000; III Международной Конференции " Физика плазмы и плазменные технологии" - Минск, 2000; Международной Конференции III Харитоновские тематические научные чтения «Экстремальные состояния вещества. Детонация. Ударные волны» - Саров, РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2001; XVI Международной Конференции "Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество" - Эльбрус, 2001.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 17 научных работ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка используемой7 литературы. Объем диссертации составляет 110 страниц, включая 38 рисунков, 2 таблицы и список литературы, насчитывающий 220 наименований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе получены следующие основные результаты:

1. Развита бесконечно-компонентная модель атомарной плазмы, согласующаяся с точными асимптотическими разложениями по степеням активности в большом каноническом ансамбле. Установлена структура кулоновских поправок к термодинамическим функциям атомарной неидеальной плазмы, которые содержат корреляционный и конфигурационный члены. Это приводит к различным поправкам по параметру неидеальности во внутреннюю энергию и давление.

2. Разработаны химические модели атомарной неидеальной плазмы на основе точных асимптотических разложений термодинамических величин в большом каноническом ансамбле, использующие различные приближения для расчета атомной статистической суммы.

3. Построена широко диапазонная модель уравнения состояния многокомпонентной неидеальной химически реагирующей плазмы. На основе этой модели разработан пакет программ, проведен широкодиапазонный расчет термодинамических параметров плазмы различных классов чистых веществ и смесей и создан банк данных.

4. Вычислен флуктуационно-дипольный потенциал взаимодействия пылевых частиц в термической плазме. Выполнены оценки критических параметров -и параметров уравнения состояния ван-дер-ваальса для пылевой компоненты.

5. Разработана методика расчета коэффициента вязкости неидеальной плазмы сложного состава, основанная на решении кинетического уравнения Больцмана. Создан пакет-—программ , и выполнен широкодиапазонный расчет коэффициента вязкости газообразных и -плазменных сред для широкого класса чистых веществ (инертных и -молекулярных газов, паров щелочных металлов). Впервые, в рамках единого подхода, охвачен интервал температур от газовой фазы до многократно ионизованной плазмы.*.