Неравновесная физико-химическая кинетика в воздухе за ударными волнами

• Автор: Кунова, Ольга Владимировна
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 113 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. ПОУРОВНЕВОЕ ОПИСАНИЕ КОЛЕБАТЕЛЬНОЙ И ХИМИЧЕСКОЙ КИНЕТИКИ В ВОЗДУХЕ
1.1. Система уравнений
1.2. Релаксационные члены в уравнениях кинетики
1.3. Коэффициенты скорости кинетических процессов
1.3.1. Коэффициенты скорости обменных реакций
1.3.2. Диссоциация, рекомбинация
1.3.3. Обмен колебательной энергией
Выводы главы
2. КОЛЕБАТЕЛЬНАЯ И ХИМИЧЕСКАЯ РЕЛАКСАЦИЯ В ПРОСТРАНСТВЕННО-ОДНОРОДНОЙ ПЯТИКОМПОНЕНТНОЙ ВОЗДУШНОЙ СМЕСИ
2.1. Постановка задачи. Система уравнений
2.2. Численный метод решения
2.3. Результаты и их анализ
Выводы главы
3. ОПИСАНИЕ ТЕЧЕНИЙ ВОЗДУХА ЗА СИЛЬНЫМИ УДАРНЫМИ ВОЛНАМИ С УЧЕТОМ ПОУРОВНЕВОЙ КОЛЕБАТЕЛЬНОЙ И ХИМИЧЕСКОЙ КИНЕТИКИ
3.1. Постановка задачи. Система уравнений
3.2. Метод решения. Начальные условия
3.3. Численные результаты. Колебательные распределения и макропараметры в релаксационной зоне за фронтом ударной волны
3.3.1. Влияние начальных условий на параметры течения
3.3.2. Сравнение результатов расчетов на основе разных моделей энергообменов и реакций. Сравнение с однотемпературным приближением
3.3.3. Влияние неравновесных колебательных распределений в набегающем потоке
Выводы главы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
1. Современное состояние проблемы описания неравновесных течений многокомпонентных реагирующих смесей газов
В диссертации исследуется неравновесная колебательная и химическая кинетика в высокотемпературном воздухе.
Рассматриваются условия, когда характерные времена колебательной релаксации и химических реакции сравнимы со средним временем изменения газодинамических параметров и значительно превосходят времена поступательной и вращательной релаксации:
Здесь те11 Trot. Tvnr, тгеас1, 0 - соответственно, времена релаксации поступательных, вращательных и колебательных степеней свободы, время химической релаксации и среднее время изменения макроскопических параметров газа. При условии (1) на временах порядка © колебательная релаксация и химические реакции протекают в сильнонеравновесном режиме при сохранении равновесных или слабонеравновесных распределений по скоростям и вращательным энергиям. Для описания неравновесной колебательной и химической кинетики необходимо рассматривать уравнения для заселенностей колебательных уровней молекул и числовых плотностей атомов совместно с уравнениями для газодинамических параметров. Такой подход дает обоснованное и наиболее детальное описание неравновесного газа [12] и позволяет определять колебательные распределения и макропараметры потока в условиях сильных отклонений от термического и химического равновесия.
Более простые модели термически и химически неравновесных течений основаны на многотемиературных распределениях [12, 43], которые создаются в возбужденном газе в результате быстрых обменов колебательными энергиями при условиях:
где ту у , ттпу - средние времена УУ обменов колебательной энергией между сталкивающимися молекулами и ТКУ переходов колебательной энергии в
Tel ^5 Troi Tvibr < Trcact 0.

Tel ^Trot < Ту у
поступательную и вращательную. В этом случае колебательные распределения представляются функциями, зависящими от колебательных температур молекул разных сортов, и уравнения для заселенностей колебательных уровней сводятся к меньшему числу уравнений для колебательных температур, числовых плотностей компонентов, скорости и температуры газа.
На основе многотемпературного приближения течения воздуха за сильными ударными волнами исследованы в [43, 51, 62].
Химическая неравновееность в термически равновесных смесях описывается в рамках однотемпературного приближения, справедливого при быстрой релаксации всех внутренних степеней свободы и замедленных химических реакциях:
Т."/ < ты тгсас1 0, (3)
где тг-„г - среднее время релаксации внутренней энергии. В этом случае заселенности колебательных уровней описываются больцмановскими распределениями с температурой газа. Это приближение часто используется в химической кинетике и при решении задач газовой динамики. Результаты расчетов потоков термически равновесной реагирующей воздушной смеси за ударными волнами приведены во многих работах, например, в [20, 16].
В настоящее время детальному поуровневому описанию неравновесного газа уделяется большое внимание. Использование этого подхода для решения задач физической газовой динамики не только дает возможность исследовать эволюцию неравновесных колебательных распределений в потоках газов, но и позволяет оценить влияние этих распределений на газодинамические параметры течения и процессы переноса, повышает точность определения таких важных характеристик, как температура газа, его состав и перенос тепла. В течение последних двух десятилетий в этом направлении достигнуты большие успехи. Построена строгая кинетическая теория процессов релаксации и переноса в реагирующих смесях газов и рассмотрены ее применения для описания конкретных течений.
Однако в большинстве работ до недавнего времени модель поуровне-вой кинетики использовалась при описании разных течений лишь двухкомпонентных смесей. Численному исследованию поуровневой колебательной и диссоциациопной кинетики в потоках смесей (N2,14) и (0г,0) заударными волнами посвящены, например, работы [54, 53, 25, 9, 10, 11], сравнение по-

литературы данным. Из сравнения результатов видно, что с наибольшей вероятностью рекомбинация происходит при столкновении трех атомов, приводящих к образованию молекул на верхних уровнях. Следует отметить также, что при разных температурах (рис. 1.10) коэффициенты скорости рекомбинации как для молекул N2 , так и для О2 при одних и тех же г имеют очень близкие значения.
а) Ь)
т, К т, к
Рис. 1.9. Коэффициенты скорости рекомбинации на г-й уровень в зависимости от температуры. а - N2,6- 02 . Сплошные линии - столкновение с молекулой, пунктирные линии
- столкновение с атомом.
а) Ь)
Рис. 1.10. Коэффициенты скорости рекомбинации в зависимости от номера уровня г для разных температур: Т = 5000 К, Т = 8000 К, Т = 14000 К. а - N2,6- Ог • Сплошные линии - столкновение с молекулой, пунктирные линии - столкновение с атомом.