Investigação de Fenômenos de Não-Equilíbrio em Descargas de Plasma de Nitrogênio Acopladas Indutivamente por RF: Uma Abordagem Estado-a-Estado

Resumo Este trabalho apresenta um modelo vibracional e eletrônico (vibronico) de estado-a-estado (StS) para plasmas de nitrogênio implementado dentro de uma estrutura computacional modular multifísica para estudar efeitos de não-equilíbrio em descargas de plasma acopladas indutivamente (ICP). As equações mestras vibronicas são resolvidas de forma fortemente acoplada com as equações que governam o fluxo, eliminando a necessidade de invocar quaisquer suposições simplificadoras ao calcular o estado do plasma, levando a uma modelagem física de alta fidelidade. A complexidade computacional do modelo é reduzida através de uma abordagem de agrupamento de máxima entropia, verificada por meio de cálculos isocóricos em zero dimensões. O modelo StS granular é empregado para estudar a descarga de plasma na instalação ICP do Instituto von Karman (VKI) para Dinâmica de Fluidos, na Bélgica. Os resultados revelam discrepâncias pronunciadas entre as previsões do StS e aquelas obtidas com base em modelos de equilíbrio termodinâmico local (LTE), que são comumente usados na simulação de tais instalações. A análise demonstra uma grande divergência das populações de estado interno de átomos e moléculas em relação à distribuição de Boltzmann. Isso tem implicações significativas para a dinâmica de acoplamento de energia, afetando a morfologia da descarga. Uma análise adicional revela uma distribuição de população em estado quase estacionário no núcleo do plasma, permitindo a construção de uma formulação macroscópica de duas temperaturas (2T) eficiente e “autocoerente”. Simulações não-LTE indicam disparidades significativas entre o modelo StS e o modelo Park 2T comumente usado, enquanto o novo modelo 2T proposto alinha-se muito de perto com as simulações StS, capturando características chave da formação de plasma em não-equilíbrio. Em particular, o estudo atual destaca a importância do termo de transferência de energia vibracional-translacional (VT) na formação da morfologia do núcleo do plasma, sugerindo uma sensibilidade notável a excitações vibracionais de impacto pesado e processos de dissociação.