Неравновесные процессы в плазме азота за фронтом сильной ударной волны



Non-equilibrium processes in nitrogen plasma behind strong shock wave front

An analysis of the processes with neutral and charged atoms and molecules of nitrogen behind strong shock waves is conducted on the base of thermally non-equilibrium kinetic model with electronically excited particles and vibrational-electronic-chemistry coupling. The model is validated against experimental data such as measurements of electron number density behind the shock wave front considering the maximum quantities of radiation intensity of nitrogen bands. It is determined that the model without regard for processes involving electronically excited atoms and molecules overestimates the concentrations of both charged and neutral species. The one-dimensional stationary gas and plasma flows are considered. The electronically excited atoms, molecules, and ions are presented as separate components of mixture for every electronic state. The rate constant data on two vibrational relaxation processes, 8 processes with vibrational excitation by electron impact, 79 chemical and plasmachemical reactions, as well as 6 processes of spontaneous radiation at nitrogen are presented.


Выполнен анализ процессов с участием нейтральных и заряженных атомов и молекул азота за фронтом ударной волны на основе термически неравновесной модели кинетики с учетом электронно-возбужденных частиц и колебательно-электронно-химического взаимодействия. Модель сверена с известными результатами эксперимента по измерению плотности электронов за фронтом ударной волны при рассмотрении времени образования максимума излучения полос азота. Установлено, что без учета процессов с электронно-возбужденными атомами и молекулами результаты расчетов приводят к завышению концентрации заряженных и нейтральных частиц. Рассматривается одномерное стационарное течение газа и плазмы за фронтом ударной волны. Электронно-возбужденные атомы, молекулы и ионы представлены как отдельные компоненты смеси для каждого электронного состояния. Представлены данные о константах скорости двух процессов колебательной релаксации, 8 процессах возбуждения колебаний электронным ударом, 79 химических и плазмохимических реакций и 6 процессов спонтанного излучения в азоте.


1. Park C. (1993). Review of chemical-kinetic problems of future NASA missions. I: Earth Entries. J. Thermophys. Heat Transfer. 7: 385.
2. Knab O., Frühauf HH, Messerschmid EWJ. (1995) Theory and validation of physically consistent coupled vibration-chemistry vibration model. Thermophys. and Heat Transfer. 9: 219.
3. Лосев С.А., Макаров В.Н., Погосбекян М.Ю. Модель физико-химической кинетики за фронтом очень сильной ударной волны в воздухе //Изв. АН СССР. Механика жидкости и газа, 1995, No2, с. 169-182.
4. Физико-химические процессы в газовой динамике. Справочник. Том 1. Динамика физико-химических процессов в газе и плазме. М.: Научный мир. 2007.
5. Capitelli M, editor. (1996) Molecular Physics and Hypersonic Flows. NATO-ASI Series C: Mathematical and Physical Sciences. 482.
6. Sarma GSR (2000). Physico-Chemical Modelling in Hypersonic Flow Simulation. Progress in Aerospace Science. 36: 281.
7. Losev SA. (2006). Modelling results on physical and chemical processes in thermally nonequilibrium high-temperature gas. Nonequilibrium Processes in Combustion and Plasma Based Technologies. Contributed Papers of International Workshop. A.V. Luikov Heat and Mass Transfer Institute. Minsk. 3.
8. Starik AM, Savel'ev AM, Titova NS, Rein OE. (2006). Nonequilibrium processes in dusty plasma produced by air shock wave. Nonequilibrium Processes in Combustion and Plasma Based Technologies. Contributed Papers of International Workshop. A.V. Luikov Heat and Mass Transfer Institute. Minsk. 41.
9. Starik A.M., Titova N.S., Arsentiev I.V. Comprehensive analysis of the effect of atomic and molecular metastable state excitation on air plasma composition behind strong shock waves//Plasma Sources Sci. Technol. 2010, Vol. 19, 015007.
10. Смехов Г.Д., Лосев С.А. О механизме процесса излучения азота в неравновесной области за фронтом ударной волны//Теплофиз. выс. температур. 1968, том 6, No 3, с. 381-387.
11. Русанов В.Д., Фридман А.А. Физика химически активной плазмы. М.: Наука, 1984, 342 с.
12. Кузнецов Н.М. Кинетика мономолекулярных реакций. М.: Наука, 1982.
13. Шахатов В.А., Лебедев Ю.А. Исследование кинетики возбуждения N 2 (A), N 2 (C), N 2 (B) В азотной плазме газовых разрядов методами эмиссионной спектроскопии и численного моделирования//химия высоких энергий, 2008, том 42, No3, с.207-241.
14. Лосев С.А., Ярыгина В.Н. Процессы электронного энергообмена в высокотемпературном воздухе//Химическая физика, 2009, том 28, No7, с.70-74.
15. Черный Г.Г., Лосев С.А. Разработка теплозащитных систем для межпланетных полетов//Итоговый научно-технический отчет по проекту МНТЦ No036-96, 1999.
16. Phelps A V and Pitchford L C 1985 Anisotropic scattering of electrons by N 2 and its effect on electron transport Phys. Rev. 31, 2932–49.
17. Даутов Н.Г., Старик А.М. К вопросу ы выборе кинетической схемы при описании детонации в смеси Н 2 + воздух//Теплофиз. выс. температур. 1993, том 31, No2, с.292-301.
18. Коссый И.А., Костинский А.Ю., Матвеев А.А., Силаков В.П. Плазмохимические процессы в неравновесной азотно-кислородной смеси//Труды ИОФАН, 1994, том 47, с. 37-57.
19. Starikovskaia S M, Starikovskii A Yu and Zatsepin D V 2001 Hydrogen oxidation in stoichiometric hydrogen–air mixture in highspeed ionization wave Combust. Theory Modelling 5, 97–129.
20. Teulet P, Sarrette J P and Gomes A M 1999 Calculation of electron impact inelastic cross sections and rate coefficients for diatomic molecules. Application to air molecules J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 62, 549–69.
21. Gordiets B F, Ferreira C M, Guerra V L, Loureiro J, Nahorny J, Pagnon D, Touzeau M and Vialle M 1995 Kinetic model of a low-pressure N2–O2 flowing glow discharge IEEE Trans. Plasma. Sci. 23, 750–68.
22. Макаров В.Н. Построение оптимальных моделей в физико-химической газовой динамике. Диссерт. Доктора физ.-мат. наук. МГУ. 1996.
23. Capitelli M, Ferreira C M, Gordietz B F and Osipov A I 2000 Plasma Kinetics in Atmospheric Gases (Springer Series on Atomic, Optical, and Plasma Physics vol 31) (Berlin: Springer).
24. Лосев С.А., Полянский В.А. Неравновесная ионизация воздуха за фронтом ударной волны при скорости 5-10 км/c//Механика жидкости и газа. 1968, No1, с.176-183.
25. Gudmundsson J T and Thorsteinsson E G 2007 Oxygen discharges diluted with argon: dissociation processes Plasma Sources Sci. Technol. 17, 399–412.
26. Ewan M J Mc and Phillips L F 1975 Chemistry of the Atmosphere (Christchurch, New Zealand: University of Canterbery).