Влияние констант скоростей ионизации атомов электронным ударом на структуру релаксационной зоны за ударной волной


Просмотр статьи
PDF, 1,7 МБ

Influence of rate coefficients for ionization of atoms by electron impact on relaxation region behind shockwave

The calculation of relaxation region behind strong shockwave in front of a returning vehicle (velocity V = 11-14 km/s) at high altitudes requires to account for kinetics of ionization and recombination of atomic oxygen and nitrogen (in assumption of entirely dissociated air at such velocities) as relaxation region likely will be a significant constituent of shock layer. In this case the collisional-radiative model is applicable for modeling of real processes of ionization. In this model the global rate coefficients for ionization are not predefined and ionization degree of atoms is defined by number of accounted excited levels of atoms and by the elementary processes with their kinetic rate coefficients. The global rate coefficients for atom ionization which are used for relaxation region calculation can be defined by solving this problem by the collisional-radiative model.
The research of the global rate coefficients for ionization and recombination of atomic oxygen and nitrogen in wide range of temperatures depending on different sets of accounted excited electron states is considered in this paper. The comparison with experimental and calculation data of different authors is observed.

collisional-radiative model, ionization, recombination.


Том 18, выпуск 2, 2017 год



При расчётах структуры релаксационной зоны за фронтом сильной ударной волны перед спускаемым аппаратом (скорость V = 11-14 км/с) на больших высотах, когда протяжённость релаксационной зоны может занимать значительную часть ударного слоя, необходимо рассчитывать кинетику ионизации атомов кислорода и азота (при таких скоростях воздух можно считать полностью диссоциированным). В этом случае для моделирования реальных процессов ионизации используется радиационно-столкновительная модель. В этой модели суммарные константы скоростей ионизации атомов электронным ударом не задаются, а степень ионизации атомов определяется количеством учтенных возбужденных электронных состояний атомов и набором элементарных процессов с соответствующими кинетическими константами. Глобальные константы скоростей ионизации атомов, которые обычно используются в расчётах структуры релаксационной зоны, могут быть определены по результатам решения задачи в рамках радиационно-столкновительной модели.
В данной работе проводится исследование глобальных констант скоростей ионизации и рекомбинации атомов кислорода и азота в широком диапазоне температур в зависимости от разных наборов учитываемых электронных состояний. Также проводятся сравнения с экспериментальными и расчётными данными разных авторов.

радиационно-столкновительная модель, ионизация, рекомбинация.


Том 18, выпуск 2, 2017 год



1. Власов В.И., Залогин Г.Н., Прутько К.А. Возбуждение электронных состояний и ионизация атомов за сильными ударными волнами в воздухе. Электронный журнал "Физико-химическая кинетика в газовой динамике". 2014 г. http:www.chemphys.edu.ru/pdf/2014-11-28-002.pdf
2. Прутько К.А. Влияние неравновесного заселения электронных состояний на радиационный поток высокотемпературного воздуха при сверхорбитальных скоростях СА // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2015. № 3. 13 с. http://chemphys.edu.ru/issues/2015-16-3/articles/540/.
3. Annaloro J., Morel V., Bultel A., Omaly P. Global rate coefficients for ionization and recombination of carbon, nitrogen, oxygen, and argon//Physics of Plasmas. 2012. 19.
4. Cambier J.L., Kapper M.G. Ionizing Shocks in Argon. Part 1: Collisional-Radiative Model and Steady-State Structure (Preprint) // Journal of Applied Physics 07/2011; 109(11):113308 - 113308-14. DOI: 10.1063/1.3585688.
5. Быкова Н.Г., Забелинский И.Е., Ибрагимова Л.Б., Левашов В.Ю., Шаталов О.П. Моделирование радиационных характеристик аргона за фронтом сильной ударной волны. «Современные проблемы аэрогидродинамики». Тезисы докл. XVII школы-семинара, посвященной памяти академика Г.Г. Черного и 55-летию со дня основания НИИ механики МГУ. 20-30 авг. 2014 г. Сочи. С.32.
6. Залогин Г.Н., Лунев В.В., Пластинин Ю.А. Ионизация и неравновесное излучение воздуха за сильными ударными волнами // Изв. АН СССР, МЖГ, 1980, № 1, с. 105-112.
7. Ralchenko Y. NIST Atomic Spectra Database, Version 3.1.0 // National Institue of Standards and Technology (NIST) Physics Lab. http://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/index.html.
8. Биберман Л.М., Воробьев В.С., Якубов И.Т. Кинетика неравновесной низко-температурной плазмы. М.: Наука, 1982. 375 с.
9. Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Справочник, Под ред. Глушко В.П., М.: Наука, 1978.
10. Park. C. Collisional ionization and recombination rates of atomic nitrogen. AIAA Journal, Vol. 7, No. 8, pp. 1653-1654, 1969.
11. Park C. Nonequilibrium Hypersonic Aerodynamics // John Wiley & Sons. New York. 1990.
12. Gupta R.N., Yos J.M., Thompson R.A and Lee K.P. A review of reaction rates and thermodynamic and transport properties for an 11 species air model for chemical and thermal nonequilibrium calculations to 30000 K // NASA RP 1232. 1990. (unpublished)
13. Bourdon A. and Vervisch P. Three-body recombination rate of atomic nitrogen in low-pressure plasma flows. Phys. Rev. E 54, 1888. 1996.
14. Cherniy G.G. and Losev S.A. Problems of aerothermoballistics, radiation gasdynamics, heat and mass transfer for planet sample return missions // ISTC 1549-00, 2003. (unpublished).