Investigation of vibrational relaxation and thermally non-equilibrium dissociation of the O2-molecules behind a front of shock wave




The quantitative experimental data on the evolution of gas temperature (T) and vibrational (Tv) temperature of molecular oxygen behind the strong shock wave front (T = 4000-10800 K) were used for determination of oxygen dissociation rate constants and vibrational relaxation time under the thermal nonequilibrium conditions. Some of theoretical models of thermal nonequilibrium dissociation were tested using the measured profiles of the Tv - and T - temperatures, and they shown to be unsatisfactory to describe the thermal non-equilibrium dissociation.

translational vibrational nonequilibrium, thermally non-equilibrium dissociation of molecules, the vibrational temperature, the reaction rate constant, dissociation model, the shock front


Volume 14, issue 2, 2013 year


Исследование колебательной релаксации и термически неравновесной диссоциации молекул О2 за фронтом ударной волны

В экспериментах измерены профили колебательной температуры Tv молекул кислорода за фронтом ударной волны в условиях термической и химической неравновесности. Диапазон температуры газа T непосредственно во фронте ударной волны в неразбавленном кислороде в опытах составлял 4000-10800 K. Установлено, что при температуре Т > 6500 K диссоциация молекул за фронтом ударной волны начинается до установления колебательного равновесия, протекая одновременно с колебательной релаксацией. Данные об эволюции колебательной температуры кислорода получены вдоль всей неравновесной зоны – от фронта волны до полного равновесия. На основании этих измерений были исследованы процессы колебательной релаксации и термически неравновесной диссоциации кислорода. Отмечено существенное замедление времени колебательной релаксации при температурах выше 6000 K по сравнению с известными зависимостями Ландау −Теллера или Милликена − Уайта. Измерена константа скорости диссоциации и количественно продемонстрирована зависимость константы скорости диссоциации О2 от степени отклонения колебательной температуры от текущей поступательной температуры. Показано, что в термически неравновесных условиях (Tv ≠T) тестированные теоретические модели неудовлетворительно описывают измеренные профили колебательной и поступательной температуры. Полученные данные об эволюции колебательной температуры кислорода вдоль всей неравновесной зоны являются хорошей базой для создания и тестирования более адекватных моделей диссоциации.

поступательно-колебательная неравновесность, термически неравновесная диссоциация молекул, колебательная температура, константа скорости реакции, модель диссоциации молекул, фронт ударной волны


Volume 14, issue 2, 2013 year



1. Забелинский И.Е., Ибрагимова Л.Б., Шаталов О.П.
Измерение колебательной температуры кислорода за
фронтом ударной волны при термической и химической
неравновесности // Известия РАН. МЖГ. № 3. 2010.
С.159−167 .
2. Термодинамические свойства индивидуальных веществ.
Справочник. Т.1. Кн.2. Под ред. В.П.Глушко. М.: Наука,
1978.
3. Ибрагимова Л.Б., Смехов Г.Д., Шаталов О.П. Константы
скорости диссоциации двухатомных молекул в терми-
чески равновесных условиях. // Изв. РАН. МЖГ. № 1.
1999. С.181−186.
4. Baulch D.L., Drysdale D.D., Duxbury J., Grant S.J.
Evaluated Kinetic Data for High Temperature Reactions.
Vol.3. Homogeneous gas phase reactions of the O2-O3
system and the CO-O2-H2 system, and sulfur-containing
species. London. Butterworths, 1976. 595 p.
5. Лосев С.А., Шаталов О.П. Диссоциация молекулярного
кислорода при столкновениях О2-О2 и О2-О // Доклады
АН СССР. 1969. Т.185. №. 2. С.293−295.
6. Park Ch.: Thermochemical relaxation in shock tunnels //
AIAA Paper. AIAA-2006-0585 (2006).
7. Landau L., Teller E.: Theory of sound dispersion // Phys. Zs.
Sow. V.10. 1936. Pp. 34−43.
8. Millikan R.C., White D.R.: Systematics of vibrational
relaxation // J. Chem. Phys. 1963. 39. 3209-3213.
9. Генералов Н.А., Лосев С.А. Возбуждение и распад моле-
кул кислорода и углекислого газа за фронтом ударной
волны. // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 1966. V.6.
P.101 (на русском).
10. Ибрагимова Л.Б., Смехов Г.Д., Шаталов О.П. О кор-
ректном представлении времени колебательной релак-
сации молекул при высоких температурах // В сб.
«Физика экстремальных состояний вещества-2004».
С.97-98. - Институт проблем хим. физики РАН.
Черноголовка. 2004.
11. Быкова Н.Г., Забелинский И.Е., Ибрагимова Л.Б., и др.
Исследования кинетических процессов в атмосферной
плазме. – Отчет № 4736, ч.1. Институт механики МГУ,
М.: МГУ, 2004.
12. Ковач Э.А., Лосев С.А., Сергиевская А.Л. Модели двух-
темпеpатуpной химической кинетики для описания дис-
социации молекул в сильных ударных волнах. // Хим.
физика. 1995. Т. 14. № 9. С. 44−76.
13. Treanor C.E., Marrone P.V.: Effect of dissociation on the rate
of vibrational relaxation // Phys. of Fluids. 1962. 5, 1022-
1026.
14. Кузнецов Н.М.. Кинетика диссоциации молекул в моле-
кулярном газе. // Теор. и эксп. химия. 1971. Т.7 (1).
С. 22−33.
15. Кузнецов Н.М., Сергиевская А.Л. Границы быстрого
VV–обмена и константа скорости диссоциации двух-
атомных молекул в произвольных газовых средах //
Хим. физика. 1994. Т.13. N 4. C.15−23.
16. Лосев С.А., Сергиевская А.Л., Русанов В.Д. и др. Фактор
неравновесности в двухтемпературной кинетике хими-
ческих реакций // Доклады РАН. 1996. Т.346. № 2.
С.192.
17. Sergievskaya A.L., Losev S.A., Macheret S. et al. Selection
of two-temperature chemical reaction models for nonequilibrium
flows // AIAA-Paper, 97-2580 (1997)
18. Hansen C.F.: Vibrational Nonequilibrium Effects on Diatomic
Dissociation Rates // AIAA Journal, 31, 2047-2051
(1993).
19. Кузнецов Н.М. Кинетика мономолекулярных реакций. –
М.: Наука, 1982.
20. Сергиевская А.Л. Информационно-математическое мо-
делирование в естественнонаучных исследованиях. Дисс.
докт. техн. наук. М.: МГУ.1998, 240 с.