Математическое моделирование газодинамики струй ВЧ-плазмы при пониженных давлениях

• Автор: Шемахин, Александр Юрьевич
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Казань
• Количество страниц: 107 с. : ил.

Оглавление
Введение.
Глава 1. Математические модели, численные методы и пакеты прикладных программ решения задач газо и плазмодииамики

1.1 Математические модели ВЧплазмы .

1.1.1 Модели ВЧразрядов.

1.1.2 Модели течения разреженных потоков газа и плазмы .

1.2 Численные методы решения задач газо и плазмодипамики .

1.2.1 Метод прямого статистического моделирования ПСМ

1.2.2 Численные методы решения задач механики сплошной среды.

1.3 Пакеты прикладных программ, используемые для расчета течений газа

1.4 Задачи диссертации.

Глава 2. Математическая модель струйного течения ВЧплазмы пониженного давления
2.1 Общая система уравнений ВЧплазмы
2.2 Оценка основных параметров ВЧплазмы пониженного давления
2.3 Математическая модель струйного течения ВЧплазмы пониженного давления с продувом газа .
Глава 3. Численный метод и программный комплекс для расчета основных характеристик струйного течения ВЧплазмы пониженного давления.
3.1 Численный метод расчета основных характеристик струйного течения ВЧплазмы пониженного давления .
3.2 Описание алгоритма и программного комплекса для расчета основных характеристик струйного течения ВЧплазмы пониженного давления
Глава 4. Результаты расчетов струйного течения ВЧплазмы пониженного давления
4.1 Роль и место численного экспериментирования в моделировании ВЧплазмы.
4.2 Расчет основных характеристик течения ВЧплазмы пониженного давления.
4.2.1 Концентрация электронов
4.2.2 Электронная температура
4.2.3 Давление несущего газа
4.2.4 Скорость несущего газа
4.2.5 Температура несущего газа и эффект перегрева в некоторых режимах течения.
4.3 Выводы и рекомендации
Заключение.
Литература


Па) с продувом газа применяется для модификации поверхностей различных материалов, таких как сталь, титан, полиэтилен, кожа, мех и др. Плазма, создаваемая данным видом разряда, обладает следующими свойствами: степень ионизации “4 - “7, концентрация электронов nc = - ДО м~3, электронная температура Тє = 1 - 4 эВ, температура атомов и ионов в плазменном сгустке Та = 0. В, в плазменной струе Та = 0. За последние десятилетия накоплены обширные экспериментальные данные о свойствах плазмы ВЧ-разрядов понижен нот давления, результатах взаимодействия ее с различными материалами, созданы математические модели, учитывающие электродинамику и плазмодинамику ВЧ-разрядов [1,2]. Однако, параметры течения ВЧ-плазмы получены эмпирическим путем в лабораторных условиях для ограниченного набора параметров разрядов и плазмотронов, а существующие математические модели ВЧ-плазмы пониженного давления, не учитывают адекватно газодинамику потока струи и тем самым не рассматривают всю картину технологического процесса обработки материалов. ВЧ-разрядов пониженного давления необходимо создание математической модели течения ВЧ-плазмы, с помощью которой можно проводить исследования закономерностей формирования характеристик потока плазмы, а следовательно и параметров плазменной обработки путем теоретических расчетов, что уменьшает затраты на проведение большого количества дорогостоящих и трудоемких экспериментов. В связи с этим, задача моделирования газодинамики струй ВЧ-плазмы пониженного давления является актуальной. Одним из параметров, определяющих характер течения газа является число Кнудсена. Число Кнудссна Кп находится в диапазоне 8 -“3 < Кп < 7 • -2. При этом числа Кнудсена для электронного газа _3 < Кп < —1, для газа ионов 5 • “4 < Кп < 5 ¦ _3. Поэтому в диапазоне давлений р = . Па при расходе газа С = 0 — 0. Квазинейтральная плазма характеризуется коллективным взаимодействием заряженных частиц. При разделении заряженных частиц возникают большие силы, которые заставляют электроны и ионы диффундировать в парах. То есть в квазинейтральной плазме средние скорости электронов и ионов равны, поэтому для оценки характера течения заряженной компоненты плазмы целесообразно использовать число Кнудсена для ионов. Таким образом специфической особенностью течения плазмы ВЧ-разряда пониженного давления является сочетание переходного режима для нейтральной компоненты и режима сплошной среды для заряженной компоненты. Больцмана [9]. Первые два подхода к моделированию течений газа успешно применяются для режима сплошной среды и захватывают часть диапазона переходного режима течения (Кп < -2), Третий подход в основном применяется для свободно-молекулярного режима течения газа (Кп > 1). Для моделирования газодинамики потоков низкотемпературной плазмы обычно применяют модель сплошной среды, однако в диапазоне давлений р = . Па, данная модель не применима, так как не рассчитана на ее использование для переходного режима течения. Поскольку характеристики течения определяются в основном температурой, давлением и скоростью несущего газа, то условимся называть режим течения ВЧ-плазмы переходным, также как режим течения несущего газа. Как сказано выше, течение ВЧ-плазмы пониженного давления осуществляется в переходном режиме. Для течения нейтрального газа впере-ходном режиме не существует устоявшихся моделей типа уравнений Навье-Стокса, а для применения статистических методов для моделирования газодинамики ВЧ-плазмы в переходном режиме требуется разработка новой специальной модели. В последние десятилетия, в виду роста производительности вычислительной техники стало возможным для многих пространственных моделей течения газов, применение методов прямого статистического моделирования (ПСМ), требующих в виду своей специфики немалого количества вычислительных ресурсов, в том чеиле метода ПСМ Г. Бёрда [9]. Появилась возможность получения существенно новых результатов для течений газовых потоков в переходном режиме, в том числе и частично-ионизованных газов. В связи с этим стало возможным моделировать течение ВЧ-плазмы пониженного давления в переходном режиме.