Научный отчет № 5299

Название

Экспериментальное и теоретическое обеспечение математического моделирования течений газа с физико-химическими превращениями и создание соответствующих баз данных. (Заключительный).

Авторы

Черный Г.Г., Шаталов О.П., Лосев С.А., Герасимов Г.Я., Сергиевская А.Л., Туник Ю.В., Колесниченко Е.Г., Ибрагимова Л.Б., Погосбекян М.Ю., Левашов В.Ю., Павлов В.А., Быкова Н.Г., Забелинский И.Е., Козлов П.В., Романенко Ю.В., Акимов Ю.В., Ленская М.К., Суржикова Т.А., Храпак Н.А.

Аннотация

Объектом исследования являются физико-химические процессы в высокотемпературных газовых потоках (ударных волнах, соплах, двигательных установках) с целью получения данных для расчета тепловых нагрузок на поверхности летательных аппаратов, анализа проблем экологии, кинетических характеристик атмосфер планет (Земля, Венера, Марс, Уран), оптимизации работы двигателей, задач лазерной и химической технологии. Поставленные задачи решаются экспериментально на ударных трубах, преимущественно спектроскопическими методами, а также путем аналитического и численного анализа. Получены экспериментальные данные о временно́й эволюции излучения линий кислорода, азота, аргона, и развёртки излучения газа (панорамные снимки) за фронтом ударной волны в широком диапазоне спектра - от ультрафиолетового до инфракрасного (120 - 1100 нм). Измерено время задержки излучения, скорость нарастания интенсивности, спектральное распределение, временная эволюция интенсивности излучения и температура уровней энергии при скоростях ударных волн до 9 км/с. Показано, что длительность излучения ударной волны увеличивается с увеличением начального давления. Выполнено моделирование кинетики возбуждения электронных уровней, излучение которых наблюдается в экспериментах. Создана четырехуровневая модель атома аргона и с использованием её выполнено моделирование кинетики возбуждения и расселения возбужденных электронных уровней аргона, излучение которых наблюдается в экспериментах. Получено удовлетворительное согласие экспериментальных и расчетных результатов, что позволяет рассчитывать на ее использование при описании излучения и других атомов. Измерено время колебательной релаксации кислорода в столкновениях O₂ - O₂ при температурах 6000-10800K. Полученные результаты существенно отличаются от зависимости, полученной при более низких температурах. В то же время, измерения при температуре ниже 6000K подтверждают известные низкотемпературные данные. Численно показано, что наличие центрального тела как в конвергентно-дивергентном сопле, так и в расширяющемся канале обеспечивает стационарное детонационное горение стехиометрической водородовоздушной смеси при числах Маха набегающего потока порядка 6. Для аналитически решаемой модели диссоциирующего и рекомбинирующего двухатомного газа в условиях двухтемпературного режима получены общие формулы для скоростей реакций и колебательной релаксации. Рассмотрены кинетические аспекты процесса радиационно-химического преобразования полициклических ароматических углеводородов в отходящих газах промышленных предприятий. Проведены траекторные расчеты для реакций Зельдовича. Получены константы скорости в условиях термической неравновесности как в модовом, так и в уровневом приближении. Проведено сравнение результатов траекторных расчетов с экспериментальными данными для процесса диссоциации O₂+O → 3O в термически неравновесных условиях, которое показало их хорошее совпадение.

Год публикации

2015 г.

Объём

23 с.

Научный руководитель

Шаталов О.П.

Ключевые слова

физико-химическая кинетика, ударная волна, излучение газов, диссоциация, колебательная релаксация, газовая динамика, модели процессов, база данных, экология, детонационное горение, молекулярная динамика, метод квазиклассических траекторий, поверхность потенциальной энергии, спектроскопия атомов, кислород, аргон, азот.