СВЧ плазменные реакторы являются перспективной альтернативой другим видам плазменных разрядов, таких как электродные и индуктивно связанные. Особенностью таких реакторов является простота, компактность и экономичность. СВЧ плазма находит применение в таких областях как системы очистки воздуха и синтез углеродных наноструктур [1].
Моделированию плазменных разрядов различных видов в воздухе посвящено большое количество работ [2][3]. Моделирование СВЧ-разряда уже осуществлялось в различных газах, в том числе и чистом азоте [4].
Численное моделирование СВЧ-разряда в газах - это очень ресурсоёмкий процесс, поэтому для его моделирования применяют упрощённые модели, рассматривающие только определённые параметры плазмы. Например, для построения двумерных моделей разряда химические могут не учитываться, ограничиваясь только рассмотрением изменения плотности электронов [5]. При этом, модели с учётом химических реакций и подробной кинетической схемой чаще всего рассматривают в одномерной постановке [6].
В данной работе было проведено исследование СВЧ разряда в воздухе на основе расширенной гидродинамической модели. Была составлена двухмерная численная модель прохождения смеси газов азота и кислорода через СВЧ плазменный реактор, в котором под действием СВЧ излучения частотой 2.45 ГГц происходит разряд. Модель построена на основе сокращённого набора плазмохимических реакций с учётом механизма быстрого нагрева газа. Был произведён анализ вклада различных механизмов в изменение параметров газа.
Были собраны основные данные, описывающие микроволновый плазменный разряд в воздухе. На основе этих данных была собрана модель в пакете программ COMSOL Multiphysics. Проводился расчёт при двух давлениях: 150 Торр и 760 Торр. Были получены распределения
температуры, напряжённости электрического поля, а также концентраций электронов и тяжёлых частиц. Было наглядно продемонстрировано развитие плазменного разряда с течением времени. В результате моделирования было установлено, что реакции диссоциации молекул азота и упругих соударений электронов с молекулами газа вносят существенный вклад в общий нагрев газа, при этом реакции с изменением электронных состояний молекулы азота из моделирования нагрева можно исключить.
Полученная модель имеет ряд ограничений. Для молекул газа учитываются только поступательные и электронные степени свободы, при этом нет учёта колебательных, что особенно важно для азота. Также в этой модели газ в трубке покоится, что затрудняет сравнение теоретических результатов с экспериментальными, полученными на промышленном оборудовании ввиду того, что там газ постоянно находится в движении.
