Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Разработан прототип экспериментального комплекса по исследованию комбинированных (гибридных) разрядов на основе электронно-пучковой плазмы, создана вакуумная система для установки с выводом пучка в камеру, проведен выбор основных технологических элементов (электронная пушка, сопловой блок, реактор, смесительная камера). Представлен детальный литературный обзор посвященный методам создания комбинированных (гибридных) разрядов на основе электронно-пучковой плазмы, а также исследованиям физико-химических процессов в плазме, возбуждаемой инжекцией электронных пучков. Уравнение состояния вырожденного электронного газа получено в явной форме из распределения Ферми-Дирака с помощью аналитических разложений по параметру вырождения. Предложены практические формулы уравнения состояния и химического потенциала вырожденного электронного газа. Проведена модификация программ, основанных на методах частиц в ячейках, для кинетического расчёта плазмы. Проведён расчёт функции распределения на примере разреженной плазмы в скрещённых полях. Исследован баланс давлений в разреженной, частично замагниченной плазме. Исследованы особенности кинетики электронной и ионной компоненты. На основе моментов функций распределения построены кривые продольного баланса давлений в разряде со скрещёнными полями. Показано, что баланс давлений между электронной и ионной компонентами нелокален как во времени, вследствие высокочастотных плазменных осцилляций, так и в пространстве, вследствие ненулевого давления электронов. Обнаружено возникновение мультимодального распределения в ионной компоненте вследствие торможения ионов на высокочастотных волнах. В широком диапазоне давлений от 0.1 до 30 атм в аргоне, воздухе и метане найдена характерная длина пробега электронного пучка с начальной энергией на уровне 30 кэВ, которая определяет рабочую зону плазмохимических реакций, что, в свою очередь, является необходимым параметром при проектировании реактора для электронно-пучковых технологий. Экспериментально исследовано инициирование электрического разряда контактным методом между алюминиевым анодом диаметром 5 мм с плотностью тока 0.2-0.6 А/см2 и жидким катодом в виде электролита с удельной электропроводностью 0.1-0.12 1/Ом/см и температурой 10-25 градусов Цельсия. Напряжение на разрядном промежутке варьировалось от 100 до 170 В. В результате установлено, что на границе соприкосновения электродов протекает процесс испарения электролита с образованием паровоздушных пузырей различного диаметра, и активно идут процессы физико-химического выделения растворенных веществ из электролита, что характерно для электролиза. Протекание процесса электролиза определяется переносом электрического тока в жидкости и условиями разряда присутствующих в растворе ионов электролита. Изменяя состав, концентрацию и температуру электролита, можно изменять протекание электродных процессов в желательном направлении. В то же время пробоя не наблюдается, так как вкладываемая в разряд мощность остается недостаточной для ионизации паровоздушной среды и инициализации электронной лавины. В объеме электролита возникает граница разделения фаз с образованием вокруг анода паровоздушной оболочки. В некоторый момент времени, напряженность электрического поля достигает значений достаточных для запуска процессов, инициализирующих пробой газового промежутка между электродами. В результате пробоя на границе раздела сред образуются микроразряды в форме усеченного конуса, вершина которого опирается на поверхность алюминиевого анода, а основание на поверхность электролитического катода. Электрические разряды формируются в виде импульсов тока в диапазоне от 0.2 до 1.8 А. Вместе с тем процесс формирования и подержания разряда сопровождается образованием анодных и катодных пятен на поверхности электродов. Наблюдаемые плазменные структуры и пятна периодически появляются и беспорядочно перемещаются на границе раздела сред между электродами. Температура вдоль поверхности алюминиевого анода при этом увеличивается в диапазоне от 100 до 180 градусов по Цельсию. Такой характер перемещения исследуемых объектов по поверхности электродов может быть объяснен локальным изменением электрического поля за счет плавления и изменения микрорельефа поверхности алюминиевого анода. По уширению водородных линий получена концентрация электронов (9.4 +-0.40) х 1е16 см–3. Для оценки температуры газа исследовались молекулярные полосы для определения колебательной и вращательной температуры тяжелой компоненты. Анализ температур производился путем сравнения экспериментально полученного спектра с расчетным, вращательная и колебательная температуры оказались равными соответственно 3550 К и 4900 К. Разработан численный алгоритм позволяющий прогнозировать выход вещества на электроде в ходе приэлектродных стадийных реакций в гетерогенных процессах, находить скорости констант приэлектродных процессов в соответствие с заданными экспериментальными данными по выходу, а так же рассчитывать концентрации веществ, участвующих в приэлектродных процессах. При исследовании разряда с жидким электролитным катодом в диапазоне токов 20-90 мА найдена квадратичная функция, аппроксимирующая зависимость напряжённости поля от величины разрядного тока для растворов с удельной электропроводностью 300 мкСм/см с коэффициентом достоверности аппроксимации 0.9996. Предполагается, что эта аппроксимирующая функция также должна давать хорошее совпадение с экспериментальными данными в области токов менее 20 мА (где квадратичный член менее значим по сравнению с линейным), а также в области проводимости растворов ниже 300 мкСм/см (т. е. при более низкой концентрации примесей). Верхняя граница применимости аппроксимирующей функции по току оценивается в 100 мА. Разработанный универсальный компактный СВЧ плазмотрон модульного типа позволяет получать как безэлектродный СВЧ разряд в волноводе с температурой газа до нескольких тысяч градусов кельвин так и с помощью внешних разрядных устройств, присоединяемых к секции волновода через ответвитель для отбора СВЧ энергии. Перспективным направлением использования СВЧ плазмы являются технологии по плазмохимической переработке метана, а также этанола и метанола, для получения водорода и синтез-газа, в которых СВЧ разряд заменяет традиционный катализатор в процессе получения водорода из метана (спиртов, бензина, других углеводородных топлив). Разработана и изготовлена электродная плазменная горелка с широким выходным отверстием диаметром 2.5 см, которая позволяет генерировать холодные плазменные струи с температурой газа порядка нескольких десятков градусов Цельсия Горелка представляет собой полезную нагрузку и подключается к ответвителю плазмотрона с помощью коаксиального кабеля сопротивлением. Подобные холодные плазменные струи находят все большее применение в практической медицине, микробиологии, сельском хозяйстве и пищевой и легкой промышленности в технологиях заживления и уменьшения микробного обсеменения инфицированных ран и язв, активации посадочного материала в сельском хозяйстве, стерилизации упаковочного материала и др. Исследован новый тип разряда: спрей-разряда, для которого величина пробойного напряжения, которая оказалась значительно меньше пробойной величины воздуха, даже в случае использования жидкости (воды) относительно малой проводимости. Предложено две схемы инициирования разряда, в одной из которых форсунка покрыта проводящим веществом, а в другой – разряд осуществляется между двумя электродами, в пространстве между которыми находится двухфазная жидкость. Показано, что хотя наличие двухфазной среды значительно снижает пробойное напряжение межэлектродного промежутка, разряд практически не влияет на параметры распыла. Получены детальные характеристики распыла (средний диаметр капель, диаметр по Заутеру, распределения компонент вектора скорости по диаметрам). Показано, что спрей-разряд позволяет проводить генерацию стерилизующих газов (озон, соединения азота), а также потенциально других соединений, вид которых определяется составом жидкости распыла, что может иметь ряд технологических применений. Проведена модернизация экспериментального комплекса по исследованию взаимодействия потока низкотемпературной плазмы различных газов (аргон, азот, воздух) с поверхностью образца. Разработан генератор низкотемпературной гомогенной и гетерогенной плазмы постоянного тока с расширяющимся соплом мощностью до 50 кВт, позволяющий использовать в качестве плазмообразующего газа аргон, гелий, азот, воздух их смеси с возможностью добавления пропан-бутана и порошков при напылении. Разработана и создана экспериментальная установка для исследования процессов переноса компонентов раствора в газовую фазу под действием разряда постоянного тока с жидким электролитным катодом. Созданная установка позволяет исследовать процессы переноса как летучих, так и нелетучих веществ в разряде с жидким катодом при атмосферном давлении в среде любых плазмообразующих газов для любых растворов.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Впервые описан физический механизм возникновения кольцевых и полукольцевых плазменных структур вокруг струи электролита в высокочастотном разряде с жидкими струйными электродами. Численно показано, что напряженность электрического поля в области распада струйного течения может кратковременно достигать значений 1е8 В/м, при которых возможна автоэлектронная эмиссия, приводящая к появлению в окрестности струи первичных электронов, что приводит к ионизации и возбуждению молекул окружающей газовой среды. Представлены результаты экспериментального исследования разряда переменного тока с частотой 50 Гц в газожидкостной среде 1 % раствора NaCl в дистиллированной воде с пузырьками воздуха и микроразрядами внутри диэлектрической трубки с диаметром 10 мм при пониженных давлениях для различных межэлектродных расстояний медных электродов: 50, 100 и 150 мм. Установлен качественный механизм развития пробоя и разряда при пониженных давлениях в газожидкостной среде. Выявлено, что с понижением давления образуется газожидкостная среда, насыщенная мелкими пузырьками воздуха размерами от 1 до 3 мм за счет кипения и электролиза. Это, в свою очередь, приводит к пробою и быстрому зажиганию разряда в пористой среде около твердого электрода. Установлен переход электрического разряда с микроразрядами в объемный разряд при пониженных давлениях. Проведено быстрое преобразование Фурье и определены спектры напряжения и тока разряда при пониженных давлениях. С помощью скоростной видеосъемки показано, что канал разряда в газокапельном потоке проходит по каплям проводящей жидкости, из которой с помощью форсунки сформирован воздушно-капельный поток, о чем свидетельствует относительно яркое свечение плазмы канала. Цвет свечения плазмы свидетельствует о том, что жидкость испаряется. Таким образом, движение капель и конфигурация электрического поля определяют форму проводящего канала электрического разряда. Проведено исследование зависимости коэффициентов переноса воды из водного раствора электролита под действием разряда с жидким катодом от температуры раствора при токе разряда 80 мА и разрядном промежутке 6 мм в диапазоне температур раствора от +25 до +85 градусов Цельсия. Исследование проведено на двух реакторах разного типа, отличающихся как способом сбора вещества, перенесённого разрядом в газовую фазу, так и условиями циркуляции раствора и плазмообразующего газа. Для реакторов обоих типов для данных условий разряда найдены аппроксимирующие зависимости коэффициентов переноса воды от температуры раствора. Показано, что зависимости коэффициентов переноса воды от температуры растворов являются экспоненциальными и близки для реакторов обоих типов. Проведено исследование распределения интенсивности свечения компонент плазмы разряда с жидким электролитным катодом по высоте разрядного промежутка при атмосферном давлении в воздухе при токе разряда 60 мА и разрядном промежутке 2 мм. Показано, что значения распределения интенсивности свечения молекулярного азота N2(2+), и атомарного кислорода O I достигают абсолютного максимума на металлическом аноде, атомарного водорода H I — на жидком катоде, а ОН радикалов — в центральной части разрядного канала. Показано, что все эти распределения имеют локальные максимумы, совпадающие с поверхностью жидкого катода и металлического анода и локальные минимумы на расстоянии около 100 мкм от поверхности раствора. Показано, что распределение интенсивности свечения атомарного Na I в разряде с жидким катодом в отличие от других компонент плазмы имеет единственный максимум на расстоянии около 70 мкм от поверхности раствора и, как показывают данные скоростной фотосъёмки разряда, является усреднением по большому количеству отдельных «вспышек» свечения Na I, локализованных в разных зонах разряда. Проведено исследование деструкции органических соединений в водном растворе под действием разряда с жидким электролитным катодом. Исследование проведено на примере водных растворов изопропилового спирта (летучая примесь) и этиленгликоля (нелетучая примесь) с концентрацией 0.15 моль/л. В ходе экспериментов при токе разряда 60 мА и разных разрядных промежутках измерен интегральный эффект окисления для обеих примесей, как в растворе, так и в газовой фазе. На примере изопропилового спирта показано, что при обработке раствора органической примеси разрядом с жидким катодом зависимости её концентрации от времени при всех разрядных промежутках хорошо аппроксимируются экспоненциальными функциями. Показано, что скорость деструкции органического соединения в разряде с жидким катодом растёт с ростом величины разрядного промежутка и величина этого эффекта мало зависит от летучести этого вещества. Нестационарное численное моделирование стримеров в диэлектрическом барьерном разряде в геометрии стержень-плоскость, где в качестве плоскости выступает жидкость с разной проводимостью, показало, что для обеих полярностей и сравнительно небольших проводимостей жидкости плазма может растекаться по поверхности жидкости с соответствующей наработкой радикалов, которые покрывают большую площадь. Для больших проводимостей и для отрицательной полярности растекание плазмы затруднено в связи с диссипацией заряда в жидкости. В этом случае наработка радикалов и активных частиц сосредотачивается в узкой области около оси стримера. Выполнены численные расчеты нестационарной неравновесной функции распределения электронов, возбуждаемом источником высокоэнергетичных электронов с начальной энергией порядка 1 кэВ в углеводородном газе метане. Учтены основные элементарные процессы взаимодействия электронов с молекулами. Вычислены доли потерь энергии электронов на ионизацию, диссоциацию и возбуждение различных уровней, позволяющие определять скорости неупругих процессов взаимодействия электронов с молекулами метана. Разработан прототип модульного высокоуровневого кода для расчёта кинетики низкотемпературной плазмы методами PiC+MCC (Particles in Cell + Monte-Carlo Collisions) c базовой поддержкой одно-, двух- и трёхмерных задач и настраиваемым набором столкновительных процессов. Проводились расчёты кинетики плазмы газового разряда в двигателе с замкнутым дрейфом электронов при варьировании градиента магнитного поля. Анализ функции распределения электронов показал, что при уменьшении градиента магнитного поля меняется объём областей фазового пространства, где невозможно существование замкнутых траекторий. В рамках двумерной осесимметричной постановки выполнено численное моделирование развития катодонаправленного (положительного) стримера в геометрии острие-плоскость в аргоне при нормальных условиях. При этом движение положительного стримера в чистом газе возникает не за счет фотоионизации, как, например, в смеси газов, а за счет наличия фоновой концентрации и диффузии электронов. Смоделировано, разработано и изготовлено сверхзвуковое сопло для плазмотрона. Проведено исследование взаимодействия потока низкотемпературной плазмы аргона с поверхностью образца (графит). Исследовано состояние катода со вставкой из гафния при добавлении пропан-бутана к плазмообразующему газу (азот, воздух) для плазмотрона постоянного тока. Реализован успешный расчет сопряженного теплообмена на поверхности раздела “газ – твердое тело”, “жидкость – твердое тело”, выполнен учет зависимости теплофизических подвижной среды от температуры; показана устойчивая работа граничных условий фазового перехода для определения движения межфазной границы; успешно применен механизм деформируемой сетки для смещения узлов методом деформации, а также полное перестроение сетки при ухудшении качества её элементов; достигнута устойчивость расчета при достижении больших температурных градиентов (до 1е7 К/м).

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Разработана физико-математическая модель развития электрогидродинамической неустойчивости на границе раздела двух жидкостей с разным значением диэлектрической проницаемости помещенных в неоднородное электрическое поле, включающая в себя уравнение движения вязкой жидкости (уравнение Навье-Стокса), уравнение непрерывности и уравнение Пуассона для расчета распределения напряженности электрического поля. В качестве вынуждающей силы рассматривается неоднородность диэлектрической проницаемости, что является свойством межфазной границы, то есть данная сила действует только там, где есть переход от одной жидкости к другой. В модели также учитывается поверхностное натяжение и гравитационная сила. На основе разработанной физико-математической модели методом прямого численного моделирования (DNS-Multiphase) в двумерной постановке (2D) выполнены расчеты по развитию гидродинамического течения двух несмешивающихся жидкостей. Прослежена динамика, когда струя жидкости с более высокой диэлектрической проницаемостью (воды) начинает расти в толще жидкости с более низкой диэлектрической проницаемостью (трансформаторного масла). При численном моделировании хорошо воспроизводится форма образующейся структуры в течение всего времени роста. Время, затрачиваемое на преодоление струей расстояния до электрода в масле при численном моделировании хорошо совпадает со временем, наблюдаемым в эксперименте. Проведено экспериментальное и численное исследование поведения границы раздела двух жидкостей с разным значением диэлектрической проницаемости помещенных в электрическое поле. При напряжениях, недостаточных для замыкания, и большой длительности импульса, возникающий конус воды занимает положение равновесия внутри промежутка. Его высота не зависит от длительности импульса и определяется только его амплитудой. При достаточном напряжении, время замыкания промежутка резко спадает с ростом напряжения. Проведенное математическое моделирование показало, что основная сила приходится на тонкий слой - границу раздела двух жидкостей. Она в большей степени определяется пространственной вариацией квадрата напряженности электрического поля (плотностью энергии), а не изменением диэлектрической проницаемости, хотя они и взаимосвязаны. Таким образом, тонкий слой, где действует объемная сила, располагается не посередине границы, как этого можно было бы ожидать, а выше зоны максимума градиентов фазовой переменной и диэлектрической проницаемости - в фазе с меньшей /проницаемостью. Локализация максимума силы вблизи вершины образующегося конуса приводит к развитию неустойчивости, её ускорению, которое в итоге приводит к замыканию промежутка и его пробою. Получено аналитическое решение для функции тока течения под действием вынуждающей объемной силы и её производных величин (скорости, завихренности, кинетической энергии, энстрофии и палинстрофии). Проведено численное моделирование эволюции течения с помощью пакета программ OpenFOAM - на основе модели несжимаемой среды, а также двух собственных реализаций, использующих приближение слабой сжимаемости, – схемы КАБАРЕ и схемы МакКормака. Показано разрушение аналитического решения. Эволюция течения включает в себя три интервала: (1) - интенсификацию завихренности под действием вынуждающей силы, (2) - разрушение регулярного распределения вихрей, (3) - хаотическую эволюцию (в присутствии объемной силы). На основе балансовых соотношений выделен вклад численной диссипации. Для самой подробной сетки эта величина оказывается на несколько порядков меньше своего гидродинамического (вязкого) аналога. Разрушение регулярной структуры течения наблюдается для любого из численных методов, в том числе на поздних стадиях ламинарной эволюции, когда распределения, получаемые численно, близки к аналитическим значениям. Показано, что перестройка вихревого течения происходит при различных пороговых значениях нормы невязки - в зависимости от численного метода. Предпосылкой к развитию неустойчивости выступает ошибка, накапливаемая в процессе счета. Эта ошибка приводит к неравномерностям в распределении завихренности и, как следствие, к появлению вихрей различной интенсивности, взаимодействие которых приводит к хаотизации течения. Для исследования характеристик многофазных течений проведено моделирование суживающего устройства (течение сквозь узкое отверстие) на основе RANS-подхода. Подобные устройства являются элементами систем добычи и транспортировки углеводородов. Смоделирована задача дробления капель разного размера, концентрация которых меняется при прохождении суживающего устройства. Рассмотрено турбулентное течение водомасляной суспензии через отверстие. Капли масла разбиваются на более мелкие под действием турбулентных напряжений, когда суспензия проходит через отверстие. Основными физическими процессами является перенос дисперсной фазы, а также эволюция турбулентности. На основе поля скорости смеси вычислены поля скоростей дисперсных фаз. В результаты моделирования определены распределения скорости, давления, кинетической энергии турбулентности, а также объемных долей капель различного размера. Разработан проточный плазмохимический реактор капиллярного типа на основе емкостного ВЧ разряда, позволяющий интенсифицировать редокс-процессы и проводить контролируемые химические превращения без преобладания окислительной деструкции органических веществ. На примере модельных систем, содержащих ароматические соединения, показана возможность проведения реакции электрофильного ароматического замещения в мягких условиях и в отсутствии катализа серной кислотой, а также возможность селективного окисления бензильного атома углерода с образованием альдегидов и карбоновых кислот. Продолжение исследований в данном направлении позволит разработать новый физико-химический метод для целей тонкого органического синтеза с контролируемыми условиями ведения химических превращений органических веществ. Исследована и доказана применимость пучково-плазменных реакторов для осаждения покрытий из неорганических и органических синтетических полимеров на металлических и неметаллических подложках, в том числе имеющих сложную пространственную геометрию. Осаждение полимерных покрытий проводили в ЭПП гелия или воздуха, осаждение покрытий из углерода производилось в атмосфере инертных газов (He, Ar) и азота. Оптимальные величины тока пучка Ib в пределах 0,5‒1,0 мА, время осаждения от 1 до 5 мин. Осажденные покрытия из полиэтилена имели однородную и регулярную складчатую структуру с достаточно плотной упаковкой и покрывали полностью поверхность ПЭТ полимерного субстрата. Покрытие состояло из глобулярных кластеров с диаметром 10 мкм и в основном содержало углерод. В спектрах комбинационного рассеяния образцов выявлены характерные для полиэтилена пики, однако жесткость и твердость осажденного покрытия оказалась выше, чем исходного полиэтилена, в следствие сшивки фрагментов молекул исходного полиэтилена с высокой степенью полимеризации. Осаждённые полиэтиленовые покрытия являлись гидрофобными. Гидрофобность оставалась стабильной в течение трех месяцев после осаждения. Осажденные покрытия из политетрафторэтилена также обладали упорядоченной структурой. При этом покрытие, полученное в ЭПП гелия, имеет внешнее сходство с капельным орошением, в то время как покрытие, осажденное в ЭПП воздуха, представляло собой организованное полосы. Не зависимо от вида плазмообразующего газа осаждённые тефлоновые покрытия проявляли высокую гидрофобность. Углеродные покрытия были получены на плоских субстратах, внутренней поверхности кварцевой трубы и на металлической подложке конической формы. В зависимости от режима осаждения можно получать аморфные и кристаллические углеродные покрытия с резко отличающимися физико-химическими свойствами.