Transportkoeffizienten ionisierter Spezies in reaktiven Strömungen
Die Kenntnis der Transportkoeffizienten ist eine wesentliche Voraussetzung in numerischen Simulationen von reaktiven Strömungen. Typische industrielle Anwendungen, in denen ionisierte Spezies vorkommen, sind Hyperschallströmungen um Wiedereintrittsflugkörper, Zündprozesse der technischen Verbrennung, Plasmaätzverfahren der Halbleiterherstellung und das Kurzschlußverhalten von strombegrenzenden Leistungsschaltern. Der Nachteil aller bisherigen Transportmodelle ionisierter Spezies ist die aufwendige Ermittlung der binären Transportgrößen: Die Anzahl der Kombinationen steigt quadratisch mit der Gesamtzahl der Spezies in der Mischung. Aus diesem Grund sind Modelle entwickelt worden, die nur für eine feste Gasmischung oder bei bestimmten Bedingungen von Druck, Temperatur und Ionisationsgrad gültig sind. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines universell einsetzbaren Transportmodells ionisierter Spezies, um genau dieses Problem zu umgehen. Das neue Transportmodell basiert auf der klassischen Theorie verdünnter Gase von Chapman und Enskog. Die Transportkoeffizienten der Multikomponenten-Mischung werden aus Potentialfunktionen (Stockmayer-, Born-Mayer-, (n,6,4)- und Debye-Hückel-Potentiale) bzw. Wirkungsquerschnitten (Elektronen-Schwerteilchen-Stöße) berechnet. Inelastische Stöße, die Effekte des resonanten Ladungstransfers und ambipolare Prozesse finden Berücksichtigung. Kombinationsregeln werden benutzt, um die Potentialparameter aus molekularen Eingabedaten der reinen Stoffe zu bestimmen. Dies reduziert den Aufwand der Suche und Ermittlung der Eingabedaten, welcher nun nur noch linear mit der Zahl der Spezies steigt. Das Beispiel "dissoziierter und ionisierter Luft" wird gewählt, um das neue Transportmodell zu validieren, weil Referenzwerte in der Literatur vorhanden sind. Für ein 15-Spezies-Modell (N2, O2, NO, N, O, N2+, O2+, NO+, N+, O+, N++, O++, N+++, O+++ und e-$ werden bei den Drücken 0,0001, 1 und 100 bar im Temperaturbereich von 300 bis 30000 K die Gleichgewichtzusammensetzungen als stationäre Zustände eines homogenen Systems berechnet. Sensitivitäts- und Reaktionsflußanalysen werden durchgeführt, um den Reaktionsmechanismus zu untersuchen. Zwischen den auf Basis dieser Gleichgewichtzusammensetzungen berechneten Transportkoeffizienten und den experimentellen und theoretischen Literaturwerten konnte eine gute "Ubereinstimmung erzielt werden.
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