Thermochemical model of СО2 +N2 mixture at high temperatures
Thermochemical model for gas phase and heterogeneous processes taking place in high temperature gas mixtures modelling Martian atmosphere is presented. Reaction rates for gas phase reactions as well as mixture transport properties were selected on the basis of analysis of large amount of data presented in the literature. In order to study interaction of high temperature gas mixture referring Mars atmosphere (mixture of carbon dioxide and nitrogen – CO2(97%)+N2(3%)) with different materials and development of physical model of this kind interactions a number of experiments was conducted in 1 MWt RF-plasmatron using three samples with different catalytic properties (with respect to CO2 plasma species recombination): silver, quartz and copper at two specific levels of flow enthalpy of 9 and 13.8 MJ/kg (corresponding to entry velocities of V = 4.24 and 5.25 km/s) and several values of total pressure within the range of 10 - 80 mbar. These test conditions corresponds to two high-altitude points of steep (stormy) entry trajectory of the EXOMARS probe developed in cooperation between European Space Agency (ESA) and Russia. Validation of the developed model was made on the basis of comparison between computational results and measurements of heat fluxes and total and static pressure differences around water-cooled probes and intended experiments on heat transfer of a model made of glasses reinforced plastics in the flow of carbon dioxide and nitrogen mixture heated in the RF plasma torch.
Представлена физико-химическая модель газофазных и гетерогенных процессов, протекающих в высокотемпературных газовых смесях, моделирующих марсианскую атмосферу. Константы скоростей газофазных реакций и переносные свойства выбирались на основании анализа весьма многочисленных литературных данных. Для исследования взаимодействия высокотемпературной смеси газа, моделирующей атмосферу Марса (смесь углекислого газа с азотом – CO2(97%)+N2(3%)) с различными материалами и разработки модели такого взаимодействия проводились эксперименты в ВЧ плазмотроне мощностью 1 МВт с тремя образцами, обладающими различными каталитическими свойствами (относительно рекомбинации компонентов плазмы СО2): серебро, кварц и медь для двух характерных уровней энтальпии потока – 9 и 13.8 МДж/кг (соответствующие скорости V = 4.24 и 5.25 км/с) и нескольких уровней полного давления в диапазоне от 10 до 80 гПа. Такие экспериментальные условия соответствуют двум высотным точкам пологой (штормовой) траектории входа разрабатываемого в Европейском космическом агентстве (ЕКА) совместно с Россией зонда EXOMARS. Валидация разработанной модели проводилась на основе сравнения численных расчетов с измерениями тепловых потоков и перепадов полного и статического давлений около охлаждаемых зондов, а также с результатами специально поставленного эксперимента по теплообмену модели из стеклопластика, обтекаемой струей смеси углекислого газа с азотом, нагреваемой в ВЧ-плазмотроне.
1. Власов В.И., Залогин Г.Н., Кнотько В.Б. Диагностика неравновесного плазменного потока высокочастотного индукционного плазмотрона с применением двойного каталитического зонда // Космонавтика и ракетостроение. 2000. № 19. С.22-32. 2. Kolesnikov A., Gordeev A., Vasil’evskii S. Results of experimental study in the IPG-4 facility, D5.4. www.dlr.de/as/SACOMAR. 3. Baumgart J. Magin T. Rini P. Degrez G. Chazot O. Simulation of Entry in the True Martian Atmosphere // Proceedings of the 5th European Symposium on Aerothermodynamics for Space Vehicles, 8-11 November, 2004, Cologne, Germany. 4. Rodriguez Carmona P., 2003, Investigation of Plasmatron Performance for Mars Entry // Tech. rep., von Karman Institute for Fluid Dynamics, VKI PR 2003-30. 5. Власов В.И., Залогин Г.Н., Землянский Б.А., Кнотько В.Б. Экспериментальное определение каталитичности карбида кремния и анализ данных, полученных в ходе летного эксперимента спускаемого аппарата OREX // Космонавтика и ракетостроение. 2005. № 2 (39). С. 8-17. 6. Center R.E. Vibrational Relaxation of CO by O Atoms // J. Chem. Phys., 1973, v. 58, p. 5230. 7. Термодинамические таблицы индивидуальных веществ. Под ред. Глушко В.П. М.: Изд-во АН СССР, 1978, т.2. 8. Camac, M. CO2 Relaxation Processes in Shock Waves // Fundamental Phenomena in Hypersonic Flow, edited by J. G. Hall, Cornell Univ. Press, Ithaca, NY, 1966. 9. Hodgson J.P. Hine R.J. Measurement of the relaxation frequency of the asymmetric stretching mode of carbon dioxide // Journal of Fluid Mechanics. 1969. V. 35, part 1. 10. Eckstrom D.J. and Bershader D. Vibrational Relaxation of the Bending Mode of Shock-Heated CO2 by Laser-Absorption Measurements // Journal of Chemical Physics. 1972, V. 57, No. 2. 11. Simpson C.J.S.M. Chandler T.R.D. Strawson A.C. Vibrational Relaxation in CO2 and CO2–Ar Mixtures Studied Using a Shock Tube and a Laser-Schlieren Technique // Journal of Chemical Physics. 1969. V. 51, No. 5. 12. Marrone P.V. Treanor C.E. Chemical relaxation with preferential dissociation from excited vibrational levels // Phys. Fluids. 1963. V. 6, No. 9, pp.1215-1221 13. Ибрагимова Л.Б. Константы скорости химических реакций в высокотемпературном газе СО2 // Математическое моделирование. 2000, т. 12, № 4. С. 3-19. 14. Ibraguimova L., Shatalov O. Non-equilibrium Kinetics behind Shock Waves. Experimental Aspects // in High Temperature Phenomena in Shock Waves, ed. R. Brun, Springer, 2012. 15. Jaffe R. Vibrational and Rotational Exitation and Dissociation of CO2 Reexamined // 49th AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition , 4-7 January 2011. Orlando, Florida. AIAA Paper No.2011-447, 2011. 16. Fujii N., Sagawai S., Sato T. et al. Study of the thermal dissociation of N2O and CO2 using O(3P) atomic resonance absorption spectroscopy // J Phys. Chem. 1989, v. 93, N 14, p. 5474-5478. 17. Oehlschlaeger M.A., Davidson D.F., Jeffries J.B., Hanson R.H. Carbon Dioxide Thermal Decomposition: Observation of Incubation // Z. Phys. Chem. 2005, 219, p. 555-567. 18. Davies W.O. Carbon dioxide dissociation at 3500 to 6000 K // J. Chem. Phys. 1964 v. 41, p. 1846-1852. 19. Fishburne E.S., Belwakesh K.R., Edse R. Gaseous reaction rates at higt temperature. I. The dissociation of CO2 // J. Chem. Phys. 1966, v. 45, N 1, p.160-166. 20. Dean A.M. Dissociation of carbon dioxide behind reflected shock waves //J Chem. Phys. 1973 v. 58, N 12, p. 5202-5208. 21. Hardy J.E., Vasatko H., Wagner N.G. et el. Neuere Untersuchungen zum thermischen Ztrfall von CO2. Teil I. // Ber. Bunsenges. Phys. Chem. 1974. Bd. 78, N 1, S. 76-82. 22. Забелинский И.Е., Ибрагимова Л.Б., Шаталов О.П. Диссоциация молекул углекислого газа за фронтом ударной волны // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. Из-во МГУ. 1986. С. 126-133. 23. Park C., Howe J. T., Jaffe R. L., Candler G. V. Review of chemical-kinetic problems of future NASA missions, II: Mars entries // Journal of Thermophysics and Heat Transfer. 1994. V. 8, No. 1. 24. Ерёмин А.В., Зиборов В.С., Шумова В.В. Кинетика диссоциации СО2 в условиях многомодовой колебательной неравновесности // Кин. и кат. 1997, т. 38, № 1. С. 5-12. 25. Brabbs T.A, Belles F.E., and Zlatarich S.A. Shock-tube study of carbon dioxide dissociation rate // Journal of Chemical Physics. 1963. V.38, no.8, pp.1939-44. 26. Davies W.O. Carbon dioxide dissociation at 6000 to 11000 K // J. Chem. Phys. 1965 v. 43, p. 2809-2818. 27. Michel K.W., Olschewsky H.A., Richering H. et el. Untersuchung des thermischen Zerfalls von CO2 in Stosswellen // Zeit. fur Phys.Chem. N.F. 1965. Bd. 44, N 3/4, S. 161-172. 28. Burmeister M., Roth P. ARAS Measurements on the Thermal Decomposition of CO2 Behind Shock Waves // AIAA J. 1990. V. 28. P. 402-405. 29. Steinberg M. // National Aeronautics and Space Administration. Rep. CR-166. 1965. 30. Ибрагимова Л.Б. Диссоциация и рекомбинация молекул углекислого газа // Хим. физика. 1990. Т. 9.№ 6. С. 785. 31. Saxena S., Kiefer J.H., Tranter R.S. Relaxation, Incubation, and Dissociation in CO2 // Journal of Physical Chemistry A 2007, v.111, no.19, pp.3884-90. 32. Генералов Н.А, Лосев C. A. Возбуждение колебаний и распад молекул кислорода и углекислого газа за фронтом ударной волны // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 1965, v.6, p.101-125. 33. Ebrahim N.A., Sandeman R.J. Interferometric studies of carbon dioxide dissociation in a freepiston shock tube // J. Chem. Phys. 1976. V. 65. N 9. P. 3446-3453. 34. Галактионов М.И., Коровкина Т.Д. Исследование кинетики диссоциации молекул СО2 // ТВТ. 1969. Т. 7, №6, с. 1211-1213. 35. Wagner H.G., Zabel F. Neuere Untersuchungen zum thermischen Zerfall von CO2. Teil II // Ber. Bunsenges. Phys. Chem. 1974, D. 78, N 7, S. 705-712. 36. Baldwin R.R., Jackson D., Melvin A., Rossiter B.N. International Journal of Chemical Kinetics. 1972, v.4, pp. 277-292. 37. Lin M.C., Bauer S.H. Bimolecular Reaction of N2O with CO and the Recombination of O and CO as Studied in a Single-Pulse Shock Tube. J. Chem. Phys. 1969, v.50, no.8, pp.3377-91. 38. Hardy J.E., Gardiner W.C., Burcat A. Recombination of carbon monoxide and oxygen atoms // Int. J. Chem. Kinet. 1978. V.10, p. 503-517. 39. Dean A.M., Steiner D.C. A shock tube stady of the recombination of carbon monoxide and oxygen atoms // J. Chem. Phys. 1977. V.66, N 2, p. 598-604. 40. Inn E.C.Y. Rate of recombination of oxygen atoms and CO at temperatures below ambient // The Journal of Chemical Physics. 1974, v.61, p. 1589. 41. Slanger T.G., Wood B.J., Black G. Kinetics of O(3P)+CO+M recombination // J. Chem. Phys. 1972, v.57, N 1, p. 233-238. 42. Donovan R.J., Husain D. and Kirsch L.J. Reactions of oxygen atoms. Part 3. Reaction of O(23PJ) and O(21D2) with CO and CO2 // Trans. Faraday Soc. 67(1971), pp.375-81. 43. Brabbs T.A., Belles F.E. Recombination of CO and O at high temperatures // Symposium of Combustion. 1967, v.11, pp.125-135. 44. Inn E.C.Y. Rate constant for the reaction CO(1Σ+) + O(3P) + CO2 → 2CO2 // The Journal of Chemical Physics. 1973, v.59, p.5431-5433. 45. Stuhl J., Niki H. Measurements of rate constants for termolecular reactions of O(3P) with NO, O2, CO, N2 and CO2 using a pulsed vacuum-UV photolysis-chemiluminescence method // J. Chem. Phys. 1971, v. 55, N 8, p. 3943-3953. 46. DeMore W.B. Pressure dependence and mechanism of the reaction of atomic oxygen and carbon monoxide // The Journal of Physical Chemistry. 1972, 76(24), 3527-3532 47. Slanger T.G., Black G. Reaction Rate Measurements of O(3P) Atoms by Resonance Fluorescence.* II O(3P) + CO + M → CO2 + M; M = He, Ar, N2 // The Journal of Chemical Physics. 1970, v.53, no.9, pp. 3722-3725. 48. Toby S., Sheth S., and Toby F.S. Reaction of Carbon Monoxide with Oxygen Atoms from the Thermal Decomposition of Ozone // The Chemistry of Combustion Processes. 1983, pp. 267-276. 49. Kovalev R.V., Vlasov V.I., Zalogin G.N., Numerical Studies of CO2 Flows in U-13 RF-plasmatron // Proceedings of the 7th European Aerothermodynamics Symposium, 9-12 May, 2011, Brugge, Belgium. 50. Kovalev R.V., Vlasov V.I., Zalogin G.N. Numerical Rebulding of CO2 Flows in U-13 RF-plasmatron for Martian Atmosphere Entry Conditions // Proceedings of 8th Sino-Russia High-speed Flow Conference. November 21-23, 2011, Shanghai, China. P. 145-153. 51. Kovalev R.V., Vlasov V.I., Gorshkov A.B., Zalogin G.N. Rudin N.F. Experimental and Numerical Simulation of Martian Entry Conditions // 9th International Planetary Probe Workshop. Toulouse, France. June 18-22, 2012. 52. Власов В.И., Залогин Г.Н., Ковалёв Р.В. Экспериментальное и численной моделирование гетерогенной рекомбинации в условиях входа в марсианскую атмосферу // Космонавтика и ракетостроение. 2013. №. 3(72). С. 116-124. 53. Kovalev R.V., Vlasov V.I., Zalogin G.N. Experimental and Numerical Modelling of Heterogeneous Recombination for Martian Entry Conditions // 5th European Conference for Aeronautics and Space Sciences (EUCASS), 1 – 5 July 2013, Munich, Germany. 54. Wright M.J., Bose D., Palmer G.E., Levin E. Recommended Collision Integrals for Transport Property Computations I: Air Species // AIAA Journal, Vol. 43, No. 12, 2005, pp. 2558-2564. 55. Wright M.J., Hwang H.H., Schwenke D.W. Recommended Collision Integrals for Transport Property Computations II: Mars and Venus Entries // AIAA Journal, Vol. 45, No. 1, 2007, pp. 281-288. 56. Bzowski J., Kestin J., Mason E.A., Uribe F.J. Equilibrium and Transport Properties of Gaseous Mixtures at Low Density // Journal of Physical and Chemical Reference Data, Vol. 19, No. 5, 1990, pp. 1179–1231. 57. Levin E., Partridge H., Stallcop J.R. Collision integrals and high temperature transport properties for N-N, O-O and N-O // Journal of Thermophysics and Heat Transfer, Vol. 4, No. 4, October 1990, pp. 469–477. 58. Stallcop J.R., Partridge H., and Levin E. Effective Potential Energies and Transport Cross Sections for Interactions of Hydrogen and Nitrogen // Physical Review A, Vol. 62, No. 6, 2000, 062709. 59. Stallcop J.R., Partridge H., and Levin E. Effective Potential Energies and Transport Cross Sections for Atom Molecule Interactions of Nitrogen and Oxygen // Physical Review A, Vol. 64, No. 4, 2001, 042722. 60. Leonas V.B. Studies of Short Range Intermolecular Forces // Soviet Physics Uspekhi, Vol. 15, No. 3, 1973, pp. 266–281. 61. Magin T., Degrez G., and Sokolova I.A. Thermodynamic and transport properties of Martian atmosphere for space entry application // AIAA Paper 2002-2226, May 2002. 62. Capitelli M., and Ficocelli E. Collision Integrals of Carbon-Oxygen Atoms in Different Electronic States // Journal of Physics B: Atomic and Molecular Physics, Vol. 6, No. 9, 1973, pp. 1819–1823. 63. Ramshaw J.D. Self-Consistent Effective Binary Diffusion in Multicomponent Gas Mixtures // Journal of Non-Equilibrium Thermodynamics, Vol. 15, No. 3, 1990, pp. 295-300. 64. Sutton K. and Gnoffo P. Multi Component Diffusion with Application to Computational Aerothermodynamics // AIAA Paper No. 98-2575, Jun. 1998. 65. Papadopoulos P., Prabhu D., Olynick D., Chen Y.-K., and Cheatwood F.M. CFD Code Comparisons for Mars Entry Simulations // AIAA Paper No. 98-0272, Jan. 1998. 66. Rini P. and Degrez G. Elemental Demixing in Air and Carbon Dioxide Stagnation Line Flows // Journal of Thermophysics and Heat Transfer, Vol. 18, No. 4, 2004, pp. 511-518. 67. Власов В.И., Залогин Г.Н., Лунев В.В. О каталитичности материалов в высокотемпературных многокомпонентных газах // Электронный журнал "Физико-химическая кинетика в газовой динамике". 2008 г. http:www.chemphys.edu.ru 68. Залогин Г.Н., Землянский Б.А., Кнотько В.Б. и др. Высокочастотный плазмотрон - установка для исследований аэрофизических проблем с использованием высокоэнтальпийных газовых потоков // Космонавтика и ракетостроение, 1994, № 2. С. 22-32. 69. Колесников А.Ф. Условия моделирования в дозвуковых течениях теплопередачи от высокоэнтальпийного потока к критической точке затупленного тела // Изв. РАН, МЖГ. 1993, № 1. С. 172-180. 70. Власов В.И., Залогин Г.Н., Землянский Б.А., Кнотько В.Б. О моделировании натурных условий при отработке в высокочастотном плазмотроне материалов для теплозащиты гиперзвуковых летательных аппаратов // Космонавтика и ракетостроение, 2001, № 23, с.8. 71. Marschall J., Copeland R.A., Hwang H.H., Wright M.J. Surface Catalysis Experiments on Metal Surfaces in Oxygen and Carbon Monoxide Mixtures // 44th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 9-12 January, 2006, Reno, Nevada, AIAA Paper 2006-181. 72. Cauquot P., Cavadias S., and Amouroux J., Thermal Energy Accommodation from Oxygen Atoms Recombination on Metallic Surfaces // Journal of Thermophysics and Heat Transfer, Vol. 12, No. 2, 1998, pp. 206-213. 73. Власов В.И. Теоретические исследования течения высокотемпературного газа в разрядной и рабочей камерах ВЧ-плазмотрона // Космонавтика и ракетостроение. 2001, № 23. С.18-26. 74. Власов В.И. Численное моделирование неравновесного течения в разрядной камере ВЧ-плазмотрона // Фундаментальные проблемы высокоскоростных течений. Тезисы докладов международной конф. ЦАГИ. 2004. 75. Землянский Б.А., Лунёв В.В., Власов В.И. и др. Конвективный теплообмен летательных аппаратов. Под редакцией Б.А. Землянского. – М.: ФИЗМАТЛИТ. 2014, 380 с. 76. Беркут В.Д., Дорошенко В.М., Ковтун В.В., Кудрявцев Н.Н. Неравновесные физико-химические процессы в гиперзвуковой аэродинамике. ‒ М.: Энергоатомиздат. 1994 , 400 с.
