English Title: Transport Coefficients of Ionized Species in Reactive Flows

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Abstract

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.

Translation of abstract (English)

The knowledge of transport coefficients is an essential pre-requisite for numerical simulations of reacting flows. Typical industrial applications, in which ionized species are important, are hypersonic flows around re-entry bodies, spark ignition processes in internal combustion engines, plasma etching for semiconductor manufacturing and the switching behaviour of current-limiting circuit breakers. The disadvantage of common transport models of ionized species is the high cost of the determination of the binary transport properties: The number of combinations increases squarely with the total number of species in the mixture. For this reason, models are developed, which are only valid for a fixed gas composition or for definite conditions of pressure, temperature and degree of ionization. The aim of this work is the development of an universal applicable transport model of ionized species to overcome this problem. The new transport model is based on the classical theory of dilute gases of Chapman and Enskog. The transport coefficients in multicomponent mixtures are calculated from intermolecular potential functions (Stockmayer-(12-6-3), exponential repulsive, (n-6-4), and screened Coulomb potential) or cross sections (collisions between electrons and heavy particles). Inelastic collisions, resonant charge transfer effects and ambipolar processes are considered. Combination rules are used to determine the potential parameters from molecular input data of the pure species. This reduces the expense of the search and determination of the input properties, which now increases only linearly with the total number of species. The example 'dissociated and ionized' air is chosen to validate the new transport model, because reference values from literature are available. For a 15-species model (N2, O2, NO, N, O, N2+, O2+, NO+, N+, O+, N++, O++, N+++, O+++ and e-) at pressures of 0.0001, 1, and 100 bar in the temperature range from 300 to 30000 K the equilibrium compositions are computed as steady states of a homogenous rate equation model. Sensitivity and reaction flow analyses are performed to investigate the reaction mechanism. The calculated transport properties on basis of these equilibrium compositions are in good agreement with the experimental and theoretical literature values.