РЕКОМБИНАЦИЯ АТОМОВ И ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОС В СИСТЕМЕ ГАЗ - ТВЕРДОЕ ТЕЛО,

Содержание

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования 2
Положение, выносимые на защиту 4
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 6
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 20
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 21

Введение

Актуальность проблемы. Взаимодействие газов с поверхностью материалов является одной из актуальных фундаментальных проблем. Результаты теоретических и экспериментальных исследований данной проблемы широко применяются при разработке микро- и наномасштабных газоуправляемых устройств и аэрокосмических аппаратов. Одними из наиболее используемых материалов для аэрокосмических технологий являются конструкционные материалы на основе кремния (боросиликаты, карбиды, оксиды), используемые в качестве термозащитных покрытий космических аппаратов многоразового использования.
Характер взаимодействия газов с поверхностью материалов, а также теплообмен в системе газ - твердое тело зависят от множества факторов, в частности, от природы (вида материала) и структуры поверхности, степени разреженности и ионизации газа, его природы, температуры системы и т.д. В условиях вхождения летательных аппаратов в атмосферу планет процесс теплообмена в значительной степени определяется реакциями рекомбинации атомов газа, протекающими на поверхности термозащитных покрытий. Например, при торможении космических летательных аппаратов многоразового использования в верхних слоях атмосферы Земли на высотах 70-75 км, в максимуме тепловой нагрузки, гетерогенная рекомбинация атомов азота и кислорода может обусловливать до 50 % потока тепла к поверхности [1].
Теоретическое и экспериментальное исследование теплообмена и реакций рекомбинации атомов в системе газ - твердое тело в условиях, имитирующих реальные, позволяет выявить характерные физические закономерности, получить необходимые для практических расчетов данные и на их основе построить адекватные модели процессов.
Настоящая работа посвящена решению проблемы тепло - и массоперено- са в системе газ - материалы на основе кремния при наличии реакций рекомбинации атомов. Поставленная задача решалась путем проведения физических и численных экспериментов, связанных с изучением влияния физико-химических свойств межфазной границы газ - твердое тело на рекомбинацию атомов и теплообмен с поверхностью.
Диссертационная работа выполнена в рамках исследований, продимых в отделе теплофизики и поверхностных явлений НИИ ФПМ при УрГУ по единому заказ-наряду, и программы PhD Young Fellowship INTAS No: 04-83-3394, при частичной поддержке Грантов АФГИР (грант № ЕК-005-Х1), INTAS No: 99-00749, INTAS/CNES No: 5117.
Цель и задачи работы.
Целью настоящей работы является получение данных о влиянии рекомбинации атомов газа на поверхности кремнийсодержащих материалов на теп- ломассоперенос в системе «разреженный газ - твердое тело» и развитие модельных представлений о структуре и свойствах межфазной границы.
Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:
• изучение морфологии и химического состава поверхности материалов на основе кремния с применением методов сканирующей зондовой микроскопии и электронной спектроскопии;
• изучение деградации поверхности вследствие взаимодействия её с потоком газа (воздушной и азотной плазмой);
• развитие модельных представлений о процессах взаимодействия кислорода и азота с поверхностью карбида кремния на основе полученных данных о микроструктуре и химическом составе поверхности;
• исследование влияния температуры и давления на рекомбинацию атомов кислорода на поверхности материалов на основе кремния;
• численное моделирование методом молекулярной динамики процессов, происходящих на поверхности материалов на основе кремния при взаимодействии с кислородом;
• обобщение данных о влиянии свойств межфазной границы «газ - твёрдое тело» на протекание реакций на поверхности и тепломассоперенос...

Возникли сложности?

Нужна помощь преподавателя?

Помощь в написании работ!

ДИПЛОМНЫЕ МАГИСТЕРСКИЕ ДИССЕРТАЦИИ

КУРСОВЫЕ СТАТЬИ ВКР

Заключение

1. Выполнено исследование рекомбинации атомов кислорода и аккомодации химической энергии на поверхности карбида кремния. Получены коэффициенты рекомбинации и коэффициенты передачи энергии рекомбинации в температурном диапазоне 1000:1900 К при давлениях 400 и 1000 Па для системы «кислород - карбид кремния».
2. Выявлены особенности влияния температуры поверхности и давления газа на коэффициенты рекомбинации и аккомодации химической энергии атомов кислорода на поверхности карбида кремния. Экспериментально подтверждено, что коэффициент рекомбинации уменьшается с ростом давления.
3. Впервые реализован подход описания структуры поверхности материалов в экспериментах по исследованию обтекания тел потоком разреженного газа с использованием данных атомно-силовой микроскопии. Получены экспериментальные данные по деградации поверхности карбида кремния, испытанного при различных условиях в потоках воздуха и азота. Показано, что шероховатость поверхности карбида кремния, испытанного в потоке азота, существенно выше шероховатости поверхности, испытанной в потоке воздуха.
4. Проведено исследование взаимодействия атомов кислорода с поверхностью в- кристобалита методом классической молекулярной динамики. На основе данных численного моделирования проведен расчет коэффициента рекомбинации кислорода на поверхности в - кристобалита для двух различных потенциалов взаимодействия. Полученные данные совпадают с имеющимися экспериментальными данными в пределах погрешности.
5. Разработан программный продукт, позволяющий моделировать поведение газовых молекул при взаимодействии с поверхностью для конкретных систем на основе кремния, изменяя форму потенциала взаимодействия, структуру и температуру поверхности, начальное распределение газовых частиц, необходимое при рассмотрении определенных процессов.

Литература

1. Беркут В.Д., Дорошенко В.М., Ковтун В.В., Кудрявцев Н.Н. Неравновесные физико-химические процессы в гиперзвуковой аэродинамике. - М.: Энергоатомиздат, 1994.
2. Balat M., Czerniak M., Badie J.M., Thermal and chemical approaches for oxygen catalytic recombination evaluation on ceramic materials at high temperature, Applied Surface Science, 120, 1997, pp. 225-238.
3. Balat-Pichelin M., Bedra L., Issoupov V. Determination of the chemical energy accommodation coefficient в on ceramic materials at high temperature under air plasma environment, Proceedings of 9th International Symposium «Materials in Space Environment», June 2003, Noordwijk (Netherlands), ESA-ESTEC.
4. Coburn J. W., Chen M. Optical Emission Spectroscopy of reactive plasmas: a method for correlating emission intensities to reactive particle density, Applied. Physics, 51 (6), 1980, pp. 3134-3136.
5. Granier A., Chereau K., Henda K., Safari R., Leprince P. Validity of actinometry to monitor oxygen atom concentration in microwaves discharges created by surface waves in O2-N2 mixtures, Applied Physics, 75, 1994, pp. 104-114.
6. Balat-Pichelin M., Badie J. M., Boubert P., Rotational temperature measurement for the determination of the recombination coefficient of atomic oxygen on ceramics at high temperature, 15th International Symposium on Plasma Chemistry ISPC 15, Orleeans (F), 9-13 July, 2001, 1, pp. 191-197
7. Roux F., Michaud F., Vervloet M. High resolution Fourier spectrometry of 14N2 violet emission spectrum: analysis of the C3nu-B3ng system, J. Molecular Spectroscopy, 158, 1993, pp. 270-277.
8. Balat-Pichelin M., Badie J.M., Berjoan R., Boubert P. Recombination coefficient of atomic oxygen on ceramic materials under Earth re-entry conditions by Optical Emission Spectroscopy, J. Chemical Physics, 291, 2003, pp. 181-194.
9. Balat-Pichelin М., Duqueroie F. Heat transfer modelling at high temperature for the evaluation of atomic oxygen recombination energy on ceramic materials, Int. J. Therm. Sci., 40, 2001, pp. 279-287.
10. Chazot O. Synthesis of the VKI second year research activity, Presentation on final meeting of INTAS/CNES project 5117, Toulouse, July 6-7, 2006.
11. Gerasimova O.E., Borisov S.F., Boragno C., Valbusa U., Modeling of the surface structure in gas dynamic problems with the use of the data of atomic force microscopy. -J. Engineering Physics & Thermophysics, 2003, vol.76, 2, pp. 413-416.
12. Герасимова О.Е., Борисов С.Ф., Проценко С.П. Моделирование шероховатой поверхности. - Ж.«Математическое моделирование», т.16, № 6, 2004, стр. 40-43.
13. Gulbransen E.A., Jansson S.A. The high-temperature oxidation, reduction and volatilization reaction of silicon and silicon carbide, J. Oxidation of Metals, v. 4 (3), 1972, pp. 181-201.
14. Knot’ko V., Zalogin G., Zemliansky B., Vlasov V. Experimental study of silicon carbide activity in dissociated flows of nitrogen and air, High-Speed flow fundamental problems, Abstracts, International Scientific Conference, TsAGI, 2004, pp. 286-287.
15. Jamet Ph., Dimitrijev S., Tanner Ph. Effects of nitridation in gate oxides grown on 4H-SiC, J. Applied Physics, vol. 90, n. 10, 2001, pp. 5058-5063...