A high temperature chemical kinetics study of the O₂ dissociation and the O atoms recombination by ARAS

Laboratoire de Combustion et Systèmes Réactifs, UPR 421 du CNRS, 1c avenue de la Recherche Scientifique, 45071 Orléans cedex 2, France

Abstract

The dissociation rate of O₂ was measured at very high temperature (3000 K to 4500 K) for pressure between 120 and 450 kPa from atomic oxygen concentration profiles in a shock wave. O concentration was measured using Atomic Resonance Absorption Spectrophotopetry (ARAS) at 130.5 nm. O-ARAS was calibrated by complete and rapid dissociation of N₂O in N₂+O. Two modified Beer-Lambert expressions were established, each of them was associated to a different detection system. O concentration could be measured between 7.10¹² and 3.10¹⁴ atoms cm-3. The influence of impurities and residual pressures on the measurements was discussed from simulations with detailed kinetic models. The expression of the rate constant of the dissociation reaction O₂+Ar ↦ 2O + Ar is k_d (cm³ mol^-1 s^-1) = 3.4 1014 exp (-55700/T), we deduced the recombination rate k_r (cm⁶ mol^-2 s^-1) = 4 1013 exp (530/T). These two expressions agree with the ones recommended in recent compilations. The rate constants kd and kr could be estimated with an uncertainty less than 30% in the studied pressure and temperature ranges.

Résumé

La vitesse de dissociation de O₂ est déterminée à très haute température (3000 à 4500 K), pour des pressions comprises entre 120 et 450 kPa, à partir des profils de concentration de l'oxygène atomique dans une onde de choc. La concentration de O est mesurée par Spectrophotométrie d'Absorption par Résonance Atomique (ARAS) à 130,5 nm. L'ARAS de O est étalonnée par dissociation complète et rapide de N₂O en N₂+O. Deux expressions de Beer-Lambert modifiées sont établies, chacune étant associée à un dispositif différent. Ainsi, la concentration de O peut être mesurée entre 7 1012 et 3 1014 atomes en cm-3. Le rôle des traces d'impuretés et des pressions partielles sur les mesures est discuté à partir de simulations impliquant des modèles détaillés. La constante de la réaction de dissociation O₂+Ar ↦ 2O + Ar a pour expression k_d (cm³ mol^-1 s^-1) = 3.4 1014 exp (-55700/T) d'où l'on obtient la constante de réaction de recombinaison k_r (cm⁶ mol^-2 s^-1) = 4 1013 exp (530/T). Ces deux expressions sont en bon accord avec les valeurs conseillées sur les bases de compilation récentes. Elles permettent d'estimer la valeur des constantes kd et kr à mieux que 30 % près sur les intervalles de pression et température étudiés.