Modelling of physical and chemical processes in strong shock waves
The thermal and chemical equilibrium of gas medium is considerably violated is strong shock waves. And the processes of translational, rotational and vibrational energy exchange, chemical reactions, ionization and radiation operate simultaneously. At very high temperature about some ten thousand degrees the vibrational relaxation time is increasing with temperature in accordance with non-adiabatic nature of collisions. The consideration of molecules dissociation and chemical exchange reactions is the most appropriate for level kinetics approximation with description of population variation for individual vibrational levels. The analysis of existing models of thermally non-equilibrium high-temperature gas promotes the solution of this problem. The values of level rate constants are received using the calculation results for dynamic molecules and atoms collision problem with classical trajectory method.
В сильных ударных волнах значительно нарушается химическое и термическое равновесие газовой среды. При этом одновременно протекают процессы поступательного, вращательного и колебательного энергообмена молекул, химические реакции, ионизация и излучение. При температуре в десятки тысяч градусов время колебательной релаксации молекул начинает увеличиваться с температурой в соответствии с недиабатическим характером столкновений. Рассмотрение диссоциации молекул и обменных химических реакций наиболее целесообразно в приближении уровневой кинетики, описывающей изменение заселенностей отдельных колебательных уровней молекул. Решению оставленной задачи способствует анализ существующих моделей термически неравновесного газа высокой температуры. В результате численного решения динамической задачи столкновений атомов и молекул по методу классических траекторий получены значения уровневых констант скорости при высоких температурах.
Ударная волна, время релаксации, термическая неравновесность, диссоциация, обменные реакции, уровневая кинетика, фактор неравновесности, метод классических траекторий, константа скорости
Лосев С.А. Шаталов О.П. Колебательная релаксация молекул кислорода в смеси с аргоном при температуре до 10 тыс. градусов. // Химия выс.энергий. 1970, том 4, No3, с.263. Шаталов О.П. О диссоциации молекулярного кислорода в отсутствие колебательного равновесия. // Физ.горения и взрыва. 1973, No5, с. 699. Лосев С.А., Яловик М.С. Колебательная релаксация и диссоциация азота при высокой температуре. // Химия выс.энергий. 1970, том 4, No3, с. Яловик М.С., Лосев С.А. Кинетика колебательного возбуждения и диссоциации молекулярного азота при высоких температурах. // Научные труды Института механики МГУ. М.: Изд-во Моск. Ун-та, 1972, No 18, с.4. Смехов Г.Д., Яловик М.С. Диссоциация молекул азота в колебательно-неравновесном газе. // Хим.физика. 1996, том 15, No 4, с.17. Генералов Н.А. Исследование неравновесных состояний газовой среды, возникающих под действием ударных волн, тлеющего разряда и мощных световых импульсов. Дисс... доктора физ.-мат.наук. Ин-т проблем механики. 1981. Косынкин В.Д., Генералов Н.А. Колебательная релаксация в йоде.//Физ.горения и взрыва. 1966, No4, с.62. Генералов Н.А., Косынкин В.Д. Зависимость вероятности дезактивации колебаний молекул йода от соотношения между временем столкновения и периодом колебаний. // Докл. АН СССР, 1967, том 175, No 5, с.1033. Schwartz R.H., Slawsky Z.J., Herzfeld K.F. Calculation of Vibration Relaxation Times in Gase.//J.Chem.Phys. 1952, Vol. 20, p.1591. Неравновесная колебательная кинетика.//Сб. под ред. М. Капителли. М.: Мир, 1989. Никитин Е.Е., Осипов А.И., Уманский С.Я. Колебательно-поступательный обмен энергией при столкновениях гомоядерных двухатомных молекул.//Химия плазмы. М.: Энергоатомиздат, 1989, вып. 15. Гордиец Б.Ф., Осипов А.И., Шелепин Л.А. Кинетические процессы в газах и молекулярные лазеры. М.: Наука, 1980. Никитин Е.Е., Осипов А.И. Колебательная релаксация в газах. // Итоги науки и техники. Кинетика и катализ. Том 4. М.: ВИНИТИ, 1977. Лосев С.А., Макаров В.Н., Погосбекян М.Ю. Модель физико-химической кинетики за фронтом очень сильной ударной волны в воздухе. // Механика жидкости и газа. 1995, No 2, с.169. Ибрагимова Л.Б., Смехов Г.Д., Шаталов О.П. Константы скорости диссоциации двухатомных молекул в термически равновесных условиях. // Механика жидкости и газа. 1999, No 1, с. 181. Ибрагимова Л.Б. Константы скорости химических реакций в высокотемпературном газе CO 2 .//Математическое моделирование. 2000, том 12, No 4. с.3. 18 Лосев С.А., Сергиевская А.Л., Ковач Э.А., Нагнибеда Е.А., Гордиец Б.Ф. Кинетика химических реакций в термически неравновесном газе.// Математическое моделирование. 2003, том 15. Физико-химические процессы в газовой динамике. Справочник. Том 1. Динамика физико-химических процессов в газе и плазме. Под ред. Г.Г. Черного, С.А. Лосева. М.: Изд-во Моск. Ун-та, 1995. Losev S.A. Chemical Kinetics: Reaction Rates, Multitemperature Models and Relaxation Processes // Physico-Chemical Models for High Enthalpy and Plasma Flows. Lecture Series Monographs/ 2002-07/ von Karman Inst. for Fluid Dynamics, 2002. Ковач Э.А., Лосев С.А., Сергиевская А.Л. Модели двухтемпературной химической кинетики для описания диссоциации молекул в сильных ударных волнах.// Хим.физика. 1995, том 14, No 9, с.44. Jaffe R.L. Rate Constants for Chemical Reactions in High-Temperature Nonequilibrium Air.//Thermophys.Aspects Re-Entry Flows. N.Y. 1986, p.123. Химия горения. Под ред. У.Гардинера, мл. М.: Мир, 1988. Смехов Г.Д., Лосев С.А. О роли колебательного и вращательного возбуждения в процессе диссоциации двухатомных молекул.//Теор. эксперим.химия. 1979, том 15, No 5, с.492. Смехов Г.Д., Жлуктов С.В. Диссоциация двухатомных молекул при экстремально высоких температурах.//Хим.физика. 1993, том 12, No 3, с.337. Marrone P.V., Treanor C.E. Chemical Relaxation with Preferential Dissociation from Excited Vibrational Levels. // Phys.Fluids. 1963. Vol.6, N9, p.1215. Macheret S.O., Fridman A.A., Adamovich I.V., Rich J.W., Treanor C.E. Mechanisms of Nonequilibrium Dissociation of Diatomic Moleculs.//AIAA-Paper N94-1984, 1994. Физико-химические процессы в газовой динамике. Справочник. Том 2. Физико-химическая кинетика и термодинамика. Под ред. Г.Г.Черного, С.А.Лосева. М.:Научн.-изд. Центр механики, 2002. Берд Г. Молекулярная газовая динамика. М.: Мир, 1981. Bird G.A. Molecular Gas Dynamics and the Direct Simulation of Gas Flows. Clarendon Press, Oxford, 1994. Банкер Д. Метод классических траекторий. В кн. Вычислительные методы в физике атомных и молекулярных столкновений. М.: Мир. 1974. с.277. Полак Л.С., Гольденберг М.Я., Левицкий А.А. Вычислительные методы в химической кинетике. М.: Наука. 1984. Кондратьев В.Н., Никитин Е.Е., Резников А.И., Уманский С.Я. Термические бимолекулярные реакции в газах. М.: Наука, 1976. Куксенко Б.В., Лосев С.А. О вероятности возбуждения колебаний и диссоциации двухатомных молекул.//Теор. эксперим. химия. 1969, Том 5, No 4, с.468. Esposito F., Capitelli M., Gorse C. Quasi-classical dynamics and vibrational kinetics of N + N 2 ( v ) System.// Chem.Phys. 2000. Vol.257. p.193. Погосбекян М.Ю., Лосев С.А. Исследование реакции CO + N → CN + O методом квазиклассической траектории с использованием вычислительного комплекса “MD Trajectory”//Хим.физика, 2003. Ibraguimova L.B., Kuznetsova L.A., Losev S.A., Pogosbekian M.Ju. Investigation of Chemical Reaction CO + N → CN + O: Shock-tube Experiment and Quasi-classical Trajectory Calculations.//24 th Intern. Sympos. Shock Waves. Beijing, China, 2003. Pogosbekian M.Ju. Classical trajectory study of exchange reaction.//Nonequilibrium Processes and their Applications. V Intern. School-Seminar. Minsk. 2000. p.26. Bose D., Candler G.V. Kinetics of the N 2 +O → NO+N Reaction Under Thermodynamic Nonequilibrium.//J. of Thermophysics and Heat Transfer, Vol.10, N.1, p.148. Коноплев Н.А., Степанов А.А., Щеглов В.А. Использование метода Монте-Карло (метода классических траекторий) для расчета констант скоростей и энергораспределения продуктов в химических двухканальных реакциях. // Труды ФИАН. 1991. Т.213, c.34. Gilibert M., Gonzales M., Sayos R., Aguilar A., Gimenez X., Hijazo J., Reactive cross sections involving atomic nitrogen and ground and vibrationally excited molecular oxygen and nitric oxide.//In: M.Capitelli editor, Molecular Physics and Hypersonic Flows. Ed. by M.Capitelli. Kluwer Acad. Publishers, Netherlands, 1996, p. 53. Ivanov M.S., Bondar Ye.A., Markelov G.N., Gimelshein S.F., Taran J.-P. Study of the Shock Wave Structure about a Body Entering the Martian Atmosphere. Proc. RGD 23 (in press). Gorelov V.A., Gladyshev M.K., Kireev A.Yu., Tchebureev V.G., Shilenkov S.A. Nonequilibrium ionization and radiation behind shock wave in Martian Atmosphere. // Proc. 3 th European Symp. On Aerothermodynamics for Space Vehicles. ESTEC, Noordwijk, ESA SP-426, p.429, 1998. Losev S.A., Kozlov P.V., Kuznetsova L.A., Makarov V.N., Romanenko Yu.V., Surzhikov S.T., Zalogin G.N. Radiation of mixture CO 2 -N 2 -Ar in shock waves: experiment and modelling.//Proc. 3 th European Symp. On Aerothermodynamics for Space Vehicles. ESTEC, Noordwijk, ESA SP-426, p.437, 1998. Gorelov V.A., Gladyshev M.K., Kireev A.Yu., Yegorov I.V., Plastinin Yu.A., Karabadzhak G.F. Experimental and Numerical Study of Nonequilibrium Ultraviolet NO and N 2+ Emission in Shock Layer.//Journ. Termophys. and Heat Transfer. 1998, Vol. 12, No 2, p.172. Горелов В.А., Комаров В.Н., Кузнецов М.М., Юмашев В.Л. О влиянии поступательной неравновесности на скорость молекулярной диссоциации в гиперзвуковой ударной волне.//Журн. Прикл. Мех. и Техн. Физ. 2001, Том 42, No 2, с.42. Куликов С.В., Смирнов А.Л., Терновая О.Н. Влияние поступательной неравновесности смеси О 2 и инертных газов на одноступенчатую диссоциацию во фронте ударной волны.//Хим.физика. 2000, Том 19, No 12, с.53. Великодный В.Ю., Битюрин В.А. Влияние эффектов поступательной неравновесности на кинетику физико-химических превращений во фронте ударной волны. // Письма в ЖТФ. 1996, Том 22, вып. 4, с.39. Азриель В.М., Акимов В.М., Русин Л.Ю. Траекторное моделирование динамики столкновительной диссоциации двухатомных молекул в четырехатомных системах.//Хим.физика. 2002, Том 21, No 4, с.18. Горелов В.А., Комаров В.Н., Кузнецов М.М., Юмашев В.Л. Исследование процессов поступательной и химической неравновесности во фронте сильной ударной волны в воздухе.//IV Междунар. Конф. по наравновесным процессам в соплах и струях. Тезисы докладов. СПб, 2002. Горелов В.А., Кильдюшова Л.А. Экспериментальное исследование параметров ионизированного воздуха перед фронтом сильной ударной волны.//Мех. жидк. газа, 1971, No 2, с.147. Горелов В.А., Кильдюшова Л.А. Измерение интенсивности излучения и электронной температуры в области перед сильной ударной волной.//Уч. записки ЦАГИ, 1974, No 2. Кустова Е.В., Нагнибеда Е.А. Поуровневое описание течений газа с сильной колебательной и химической неравновесностью. // Мат. моделирование. 1999, том 11, No 2. с.89. Kustova E.V., Nagnibeda E.A. Nonequilibrium Dissociation Rates in Shock Heated Gases.//Fourth Europ. Symp. On Aerothermodynamics Space Vehicles. ESTEC, Capua, ESA SP-487, p.145, 2001. Осипов А.И. Нарушение максвелл-больцмановского распределения при химических реакциях.//Инж.-физ. журнал. 1980, том 38, No 2, с.351. Осипов А.И. Релаксационные процессы в газах. 1. Неравновесное распределение энергии по поступательным степеням свободы.//Физ.гор.взрыва. 1966, No 4, с.208. Лебедев С.Н., Малама Ю.Г., Осипов А.И. Применение метода Монте-Карло для определения неравновесного распределения энергии по поступательным степеням свободы в однокомпонентной системе с химическими реакциями.//Теор. и экспер. химия. 1970, том 6, в. 2, с.206. Осипов А.И. Термическая диссоциация двухатомных молекул при высоких температурах.// Теор. и экспер. химия. 1966, том 2, No 5, с. 649. Kustova E.V., Nagnibeda E.A. Transport properties of a reacting gas mixture with strong vibrational and chemical nonequilibrium. // Chemical Physics. 1998. Vol. 233. p.57. Kustova E.V., Nagnibeda E.A., Chikhaoui A. On the accuracy of non-equilibrium transport coefficients calculations.//Chemical Physics. 2001. Vol. 270, N 3. p.459. Колесниченко Е.Г., Лосев С.А., Сергиевская А.Л.. Новые возможности получения и накопления научной информации в рамках научной информационной системы.// Современные проблемы механики. Тезисы докл. конф., посвященной 40-летию Ин-та механики МГУ. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1999. с.121. Losev S.A., Kovach E.A., Sergievskaya A.L. Data Base and Computer Experiments in Physico-Chemical Kinetics.//17 th CODATA International Conference. Proceedings. Baveno. Italy. October 15 − 19, 2000, p.67. Садовничий В.А., Угольников А.Б., Варламов В.В., Воеводин В.В., Кедрова Г.Е., Сергиевская А.Л. От сети профессионалов к профессиональной сети науки и образования России: научно-образовательные ресурсы Московского университета в ИНТЕРНЕТ.//ТЕЛЕМАТИКА-2002, Труды Всероссийской научно-методической конференции, 3 − 6 июня 2002 г., Санкт-Петербург, с.56.
