Трехтемпературное описание течений ударно нагретого воздуха


Просмотр статьи
PDF, 857,3 КБ

Three-temperature description for shock-heated air flows

Three-temperature kinetic theory approximation is applied for numerical modeling of non-equilibrium air flows in the relaxation zone behind shock waves. Vibrational temperatures for nitrogen and oxygen molecules are introduced and equations for three-temperature vibra-tional-chemical kinetics in five-component air mixture N2/O2/NO/N/O are coupled to the equations for gas dynamic parameters and solved numerically. The comparison of the results obtained in the frame of the three-temperature and one-temperature approaches showed the impact of vibrational distributions on macroscopic flow parameters. The considered problem is solved allowing for anharmonic vibrational spectra of air molecules and using the simpli-fied model of harmonic oscillators and estimations for anharmonisity effects on macroscopic air parameters are given. The results presented in the paper are important for a choice of ade-quate kinetic models for shock-heated air flows under different non-equilibrium conditions.

vibrational and chemical kinetics, shock waves, three temperature approach, exchange reac-tions.


Том 16, выпуск 2, 2015 год



Трехтемпературное приближение кинетической теории используется для численного моделирования неравновесных течений воздуха в релаксационной зоне за ударными волнами. Вводятся колебательные температуры молекул азота и кислорода, и уравнения трех-температурной колебательной и химической кинетики в пятикомпонентной смеси N2/O2/NO/N/O численно решаются совместно с уравнениями для газодинамических па-раметров. Сравнение результатов, полученных в трехтемпературном и однотемператур-ном приближениях, показало влияние неравновесных распределений на макроскопиче-ские параметры потока. Решение задачи получено как с учетом ангармоничности коле-бательных спектров молекул воздуха, так и для упрощенной модели гармонических ос-цилляторов. Даны оценки влияния эффекта ангармоничности на макропараметры тече-ния. Полученные в работе результаты важны при выборе адекватных моделей течений ударно нагретого воздуха в разных условиях неравновесности.

колебательная и химическая кинетика, трехтемпературное приближение, ударная волна, обменные химические реакции, пятикомпонентная воздушная смесь.


Том 16, выпуск 2, 2015 год



1. Ступоченко Е.В., Лосев С.А., Осипов А.И. Релаксационные процессы в ударных волнах. М.: Наука, 1965. 484с.
2. R. Brun (Ed.) High TemperaturePhenomena in Shock Waves, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 2012. 337 p.
3. Nagnibeda E., Kustova E.Nonequilibrium Reacting Gas Flows. Kinetic Theory of Transport and Relaxation Processes, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, 2009.
4. Kunova O.V., Nagnibeda E.A. State-to-state description of reacting air flows behind shock waves // Chemical Physics, 2014. Vol. 441, pp. 66-76.
5. Chikhaoui A., Dudon J.P., Geneys S., Kustova E.V., Nagnibeda E.A.Multitemperature kinetic model for heat transfer in reacting gas mixture // Phys. Fluids. 2000. Vol. 12. № 1. P. 220 –230.
6. Colonna G., ArmeniseI., Bruno D., Capitelli M. Reduction of state-to-state kinetics to macroscopic models in hypersonic flows, Journal of Thermophysics and Heat Transfer, Vol. 20, N 3, 2006, pp. 477-486.
7. Colonna G., Pietanza L.D., Capitelli M. Reduced two-level approach for air kinetics in recombination regime, AIP Conference Proceedings, Vol. 1333, N 1, 2011, pp. 1365-1370.
8. Treanor C.E., Rich J.W., Rehm R.G. Vibrational relaxation of anharmonic oscillators with ex-change dominated collisions. //J. Chem. Phys. 1968. Vol. 48. P. 1798–1807.
9. Гордиец Б.Ф., Осипов А.И., Шелепин Л.А. Кинетические процессы в газах и молекулярные лазеры. М.: Наука, 1980. 512 с.
10. Kustova E.V., Nagnibeda E.A. New kinetic model of transport processes in the strong nonequilibrium gas // Rarefied Gas Dynamics 19 / Ed. by J. Harvey and G. Lord. Vol. 1. Oxford, NewYork, Tokyo. 1995. OxfordUniv. Press. P. 7884.
11. Физико-химические процессы в газовой динамике /под редакцией Черного Г.Г. и Лосева С.А. / М.: Науч. мир. 2007. Т.1, 2002. T.2. 368 с.
12. Capitelli M., Ferreira C.M., Gordiets B.F., Osipov A.I. Plasma kinetics in atmospheric gases. Berlin: Springer-Verlag, 2000
13. Погосбекян М.Ю., Сергиевская А.Л. Моделирование динамики молекулярных реакций и сравнительный анализ с теоретическими моделями применительно к термически неравновесным условиям // Физико- химическая кинетика в газовой динамике. 2014. Том 15, вып. 3. 7c. http://chemphys.edu.ru/issues/2014-15-3/articles/227/
14. Базылевич С.С., Нагнибеда Е.А., Синицын К.А. Коэффициенты скорости диссоциации в колебательно – неравновесном газе // Вестник СПбГУ. Серия 1: математика, механика, астрономия.вып. 3. 2006. с. 93 – 101.
15. Warnatz J., Riedel U., Schmidt R. Different levels of air dissociation chemistry and its coupling with flow models. In: Advanced in Hypersonic Flows, Vol.2: Modeling Hypersonic Flows. Birkhauser, Boston, 1992. P. 67–103.
16. Marrone P.V., Treanor C.E. Chemical relaxation with preferential dissociation from excited vibrational levels // Phys. Fluids. 1963. Vol. 6. N 9. P. 1215-1221.
17. Scanlon T.J., White C., Borg M.K., Palharini R.C., Farbar E., Boyd I.D., Reese J.M., Brown R.E. Open-source direct simulation monte carlo chemistry modeling for hypersonic flows, AIAA Journal 53 (6) (2015) 1670–1680.
18. Ibraguimova L.B., Sergievskaya A.L., Levashov V.Y., Shatalov O.P., Tunik Y.V., Zabelinskii I.E. Investigation of oxygen dissociation and vibrational relaxation at temperatures 4000 – 10800 K, J. Chem. Phys. 139 (2013) 034317.
19. Быкова Н.Г., Забелинский И.Е., Ибрагимова Л.Б., Сергиевская А.Л., Туник Ю. В., Шаталов О.П. Исследование колебательной релаксации и термически неравновесной диссоциации молекул O2 за фронтом ударной волны // Физико- химическая кинетика в газовой динамике. 2013. Том 14, вып. 2. 8c. http://chemphys.edu.ru/issues/2013-14-2/articles/383/