Численное моделирование течения термически и химически неравновесного воздуха за фронтом ударной волны

На основе модели течения пятикомпонентной воздушной смеси за фронтом одномерной ударной волны проведен расчет потока с температурой на скачке до 7000 K с учетом переменного состава, поступательной и колебательной температуры и давления в релаксационной зоне. Заселенность колебательных уровней кислорода и азота подчиняется распределению Больцмана с одной общей колебательной температурой. Влияние температурной неравновесности на скорость протекания химических реакций учитывается введением фактора неравновесности при константе скорости реакции, который зависит от колебательной и поступательной температуры. Проведено сравнение расчета диссоциации за скачком с литературными данными при наличии температурной неравновесности в потоке чистого кислорода за ударной волной с двумя разными интенсивностями. Продемонстрировано хорошее совпадение колебательной температуры с экспериментом и расчетами, основанными на экспериментальных значениях колебательной температуры и мольно-массовых концентраций. Выполнен расчет термодинамически неравновесной диссоциации воздуха за ударной волной в сравнении с равновесной диссоциацией и расчетами, проведенными другими авторами. Показано постепенное сближение рассчитанных и полученных в литературе значений концентраций по мере удаления от скачка. Перечислены причины расхождения результатов расчета с имеющимися в литературе данными

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант РФФИ № 19-31-90114)

Литература

[1] Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. Тепловая защита. М., Энергия, 1976.

[2] Гордеев А.Н., Колесников А.Ф. Высокочастотные индукционные плазмотроны серии ВГУ. В кн.: Актуальные проблемы механики. Физико-химическая механика жидкостей и газов. М., Наука, 2010, с. 151--177.

[3] Kolesnikov A.F., Gordeev A.N., Vasil’evskii S.A. Effects of catalytic recombination on the surface of metals and quartz for the conditions of entry into the Martian atmosphere. High Temp., 2016, vol. 54, iss. 1, pp. 29--37. DOI: https://doi.org/10.1134/S0018151X1505017X

[4] Williamson J.M., DeJoseph C.A. Jr. Determination of gas temperature in an open-air atmospheric pressure plasma torch from resolved plasma emission. J. Appl. Phys., 2003, vol. 93, iss. 4, pp. 1893--1898. DOI: https://doi.org/10.1063/1.1536736

[5] Гордеев А.Н., Колесников А.Ф., Сахаров В.И. Экспериментальное и численное исследование теплообмена высокоэнтальпийных недорасширенных струй воздуха с цилиндрическими моделями. Изв. РАН. МЖГ, 2018, № 5, с. 125--133.

[6] Сахаров В.И. Численное моделирование течений в индукционном плазмотроне и теплообмена в недорасширенных струях воздуха для условий экспериментов на установке ВГУ-4 (ИПМех РАН). Физико-химическая кинетика в газовой динамике, 2007, № 5. URL: http://chemphys.edu.ru/issues/2007-5/articles/38

[7] Черный Г.Г. Газовая динамика. М., Наука, 1988.

[8] Варнац Ю., Маас У., Диббл Р. Горение. Физические и химические аспекты, моделирование, эксперименты, образование загрязняющих веществ. М., ФИЗМАТЛИТ, 2003.

[9] Зельдович Я.П., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. М., Наука, 1966.

[10] Knab O., Fruehauf H.-H., Messerschmid E.W. Theory and validation of the physically consistent coupled vibration-chemistry-vibration model. J. Thermophys. Heat Trans., 1995, vol. 9, iss. 2, pp. 219--226. DOI: https://doi.org/10.2514/3.649

[11] Millikan R.C., White D.R. Systematics of vibrational relaxation. J. Chem. Phys., 1963, vol. 39, iss. 12, pp. 3209--3213. DOI: https://doi.org/10.1063/1.1734182

[12] Ibraguimova L.B., Shatalov O.P., Tunik Yu.V., et al. Shock tube investigation of molecular oxygen dissociation at temperatures of 4000 to 10800 K. In: Kontis K. (eds). 28th Int. Symp. Shock Waves. Springer, Berlin, Springer, 2011, pp. 125--130. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-642-25688-2_19

[13] Ковач Э.А., Лосев С.А., Сергиевская А.Л. Модели двухтемпературной химической кинетики для описания диссоциации молекул в сильных ударных волнах. Химическая физика, 1995, т. 14, № 9, с. 44--76.

[14] Gnoffo P.A., Gupta R.N., Shinn J.L. Conservation equations and physical models for hypersonic air flows in thermal and chemical nonequilibrium. NASA TP-2867, 1989.

[15] Глушко В.П., ред. Термодинамические свойства индивидуальных веществ. М., Наука, 1979.

[16] Born P.N., Byrne G.D., Hindmarsh A.C. VODE: a variable coefficient ODE solver. SIAM J. Sci. Stat. Comput., 1989, vol. 10, no. 5, pp. 1038--1051. DOI: https://doi.org/10.1137/0910062

[17] Ибрагуимова Л.Б., Левашов В.Ю., Сергиевская А.Л. и др. Моделирование колебательно-диссоциационной кинетики кислорода при температурах 4000--11000 K. Изв. РАН. МЖГ, 2014, № 1, с. 131--140.

[18] Blackman V. Vibrational relaxation in oxygen and nitrogen. J. Fluid Mech., 1956, vol. 1, iss. 1, pp. 61--85. DOI: https://doi.org/10.1017/S0022112056000056

[19] Generalov N.A., Losev S.A. Vibration, excitation, and molecular dissociation of gaseous oxygen and carbon dioxide in a shock wave. J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transf., 1966, vol. 6, iss. 1, pp. 101--104. DOI: https://doi.org/10.1016/0022-4073(66)90066-5

[20] Owen K.G., Davidson D.F., Hanson R.C. Oxygen vibrational relaxation times: shock tube/laser absorption measurements. J. Thermophys. Heat Trans., 2015, vol. 30, iss. 4, pp. 791--798. DOI: https://doi.org/10.2514/1.T4505

[21] Kiefer J.H., Lutz R.W. The effect of oxygen atoms on the vibrational relaxation of oxygen. Symp. (Int.) Сombus., 1967, vol. 11, iss. 1, pp. 67--76. DOI: https://doi.org/10.1016/S0082-0784(67)80134-6

[22] Breen J.E., Quy R.B., Glass G.P. Vibrational relaxation of O2 in the presence of atomic oxygen. J. Chem. Phys., 1973, vol. 59, iss. 1, pp. 556--557. DOI: https://doi.org/10.1063/1.1679846

[23] Лосев С.А., Макаров В.Н., Погосбекян М.Ю. Модель физико-химической кинетики за фронтом очень сильной ударной волны в воздухе. Изв. РАН. МЖГ, 1995, № 2, с. 169--182.

[24] Duff R.E., Davidson N. Calculation of reaction profiles behind steady state shock waves. II. The dissociation of air. J. Chem. Phys., 1959, vol. 31, iss. 4, pp. 1018--1027. DOI: https://doi.org/10.1063/1.1730497