Квазистационарная алгебраическая eRC-модель для предсказания излучательной способности электронно-колебательных полос двухатомных молекул


Просмотр статьи
PDF, 1,5 МБ

Quasi-Steady-State Algebraic eRC Model for Predicting the Emissivity of Electron-Vibrational Bands of Diatomic Molecules

The quasi-steady-state (QSS) electron-radiation-collisional (eRC) model formulated for the electron states of diatomic molecules N2, N2+, and NO is discussed. The kinetic equations of the QSS eRC model are considered in detail. The problems of providing the eRC-model with the rate constants of population and deactivation of separately considered electron states during collisions of diatomic molecules with electrons and heavy particles, as well as the kinetic constants for the reactions of spontaneous photon emission and associative recombination are discussed. A simplified method for solving the system of kinetic equa-tions is proposed. The results of calculating the populations of individual electron states of diatomic molecules at characteristic parameters of the compressed layer near the Sturdust spacecraft are presented in comparison with the populations calculated using the Boltz-mann functions with electron temperature.

electron-radiative-collision model, emissivity of electron-vibrational bands of diatomic molecules.

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.25.6.1153


Том 25, выпуск 6, 2024 год



Обсуждается квазистационарная электронно-радиационно-столкновительная (eRC) модель, которая сформулирована для электронных состояний двухатомных молекул N2, N2+ и NO. Подробно рассмотрены кинетические уравнения eRC-модели. Обсуж-даются проблемы обеспечения eRC-модели константами скоростей заселения и дез-активации отдельно рассматриваемых электронных состояний при столкновении двухатомных молекул с электронами и тяжелыми частицами, а также кинетические константы для реакций спонтанного испускания фотонов и ассоциативной рекомби-нации. Предложен упрощенный метод решения системы кинетических уравнений. Представлены результаты расчетов заселенностей отдельных электронных состоя-ний двухатомных молекул при характерных параметрах сжатого слоя вблизи спус-каемого космического аппарата Sturdust в сравнении с заселенностями, рассчитан-ными по больцмановским функциям с электронной температурой.

электронно-радиационно-столкновительная модель, излучательные спо-собности электронно-колебательных полос двухатомных молекул.

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.25.6.1153


Том 25, выпуск 6, 2024 год



1. Olynick D.R., Henline W.D., Hartung L.C., Candler G.V. Comparison of Coupled Radiative Na-vier-Stokes Flow Solutions with the Project Fire-II Flight Data // AIAA Paper 94-1955, 1994, 15 p.
2. Johnston C.O., Hollis B.R., Sutton K. Nonequilibrium Stagnation-Line Radiative Heating for Fire-II // J. of Spacecraft and Rockets. 2008. Vol. 45. No.6. Pp.1185-1195.
3. Surzhikov S.T., Shang J.S. Numerical Rebuilding of Fire-II Flight Data with the Use of Different Physical-Chemical Kinetics and Radiation Models //AIAA Paper 2013-0190. 2013. 19 p.
4. Olynick D., Chen Y.-K., Tauber M.E. Aerothermodynamics of the Stardust Sample Return Cap-sule // J. of Spacecraft and Rockets. 1999. Vol.36. No.3. Pp. 442-462.
5. Liu Y., Prabhu D., Trumble K.A., Saunders D., Jenniskens P. Radiation Modelling for the Reentry of the Stardust Sample Return Capsule // J. of Spacecraft and Rockets. 2010. Vol.47. No.5. Pp.741-752.
6. Surzhikov S.T., Shang J.S. Coupled Radiation-Gasdynamic Model for Stardust Earth Entry Simulation // Journal of Spacecraft and Rockets. 2012. Vol. 49. No.5. Pp. 875888.
7. Park C. Nonequilibrium Hypersonic Aerothermodynamics. Willey-Interscience Publication, J. Wiley & Sons. New-York, 1990.
8. Surzhikov S.T. Spectral Emissivity of Shock Waves in Martian and Titan Atmospheres // AIAA Paper 2010-4527. 32 p.
9. Keck C.K., Camm J.C., Kivel B. and Wentink T. Jr. Radiation from Hot Air Part II. Shock Tube Study of Absolute Intensities // Annals of Physics. 1959. Vol. 7. Pp. 1-38.
10. Thomas G.M. and Menard W.A. Experimental Measurements of Nonequilibrium and Equilibri-um Radiation from Planetary Atmospheres // AIAA Journal. Vol. 4. No. 2. 1966. Pp. 227-237.
11. Залогин Г.Н., Козлов П.В., Кузнецова Л.А., Лосев С.А., Макаров В.Н., Романенко Ю.В., Суржиков С.Т. Излучение смеси СО2-N2-Ar в ударных волнах: эксперимент и теория // ЖТФ. 2001. Т. 46. № 6. С.10-16.
12. Surzhikov S.T., Sharikov I., Capitelli M., Colonna G. Kinetic Models of Non-Equilibrium Radia-tion of Strong Air Shock Waves // AIAA Paper 2006-0586. 2006. 11 p.
13. Авилова И.В., Биберман Л.М., Воробьев В.С. и др. Оптические свойства горячего воздуха. М.: Наука. 1970. 320 с.
14. Каменщиков В.А., Пластинин Ю.А., Николаев В.М. и др. Радиационные свойства газов при высоких температурах. М.: Машиностроение. 1971. 440 с.
15. Суржиков С.Т. Оптические свойства газов и плазмы. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана. 2004. 575 с.
16. Cruden B.A., Prabhu D., Martinez R., Le H., Bose D., Grinstead J.H. Absolute Radiation Meas-urement in Venus and Mars Entry Conditions // AIAA Paper 2010-4508. 2010.
17. Brandis A.M., Johnston C.O., Cruden B.A., Prabhu D.K. and Bose D. Validation of High-Speed Earth Atmospheric Entry Radiative Heating from 9.5 to 15.5 km/s // AIAA Paper 2012-2865. 2012.
18. Brandis A.M., Cruden B.A., Prabhu D., Bose D., McGilvray M. and Morgan R.G. Analysis of Air Radiation Measurements Obtained in EAST and X2 Shocktube Facilities // AIAA Paper 2010-4510. 2010.
19. Дикалюк А.С., Суржиков С.Т. Расчетное исследование модели неравновесного излучения за фронтом ударных волн в марсианской атмосфере // МЖГ. 2013. № 1. С. 141-160.
20. Kozlov P.V., Surzhikov S.T. Nonequilibrium radiation NO in shocked air // AIAA Paper 2017-0157. https://doi.org/10.2514/6.2017-0157
21. Brandis A. M., Cruden B. A. Shock Tube Radiation Measurements in Nitrogen // AIAA Paper 2018-3447. 2018. 37 p. DOI: 10.2514/6.2018-3437
22. Cruden B.A., Brandis A.V., MacDonald M.E. Characterization of CO Thermochemistry in Inci-dent Shockwave // AIAA Paper 2018-3768. 2018. 22 p. https://doi.org/10.2514/6.2018-3768
23. MacDonald M.E., Brandis A.V., Cruden B.A. Temperature and CO Number Density Measure-ments in Shocked CO and CO2 via Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy // AIAA Pa-per 2018-4067. 2018. 23 p. DOI: 10.2514/6.2018-4067
24. Cruden B.A., Brandis A.M., Johnston C.O. Development of a Radiative Heating Margin Policy for Lunar Return Missions // AIAA Paper 2017-1370. 2017. https://doi.org/10.2514/6.2017-1370
25. Cruden B.A., Bogdanoff D.W. Shock Radiation Tests for Saturn and Uranus Entry Probes // Journal of Spacecraft and Rockets. 2017. Vol.54. No.6. Pp.1246-1257. https://doi.org/10.2514/1.A33891
26. Brandis A.M., Cruden B. A. Titan Atmospheric Entry Radiative Heating // AIAA Paper 2017-4534. 2017. 27 p. https://doi.org/10.2514/6.2017-4534
27. Brandis A.M., Cruden B. A. Benchmark Shock Tube Experiments of Radiative Heating Relevant to Earth Re-entry // AIAA Paper 2017-1145. 2017. https://doi.org/10.2514/6.2017-1145
28. Brandis A. M., Johnston C.O., Cruden B.A., Prabhu D.K. Equilibrium Radiative Heating from 9.5 to 15.5 km/s for Earth Atmospheric Entry // Journal of Thermophysics and Heat Transfer. 2016. https://doi.org/10.2514/1.T4878
29. Brandis A. M., Cruden B. A., Olejniczak J., Grinstead J., Kirk L., Lillard L., Tanno H., Komuro T. Measurement of Ultraviolet Radiative Heating Augmentation in HIEST Reflected Shock Tun-nel // AIAA Paper 2015-2512. 2015. 13 p. https://doi.org/10.2514/6.2015-2512
30. Cruden B.A., Brandis A.V. Measurement of radiative nonequilibrium for Air Shocks Between 7 and 9 km/s // Journal Thermophysics and Heat Transfer. November 2019. https://doi.org/10.2514/1.T5735
31. Козлов П. В. Экспериментальное исследование радиационных свойств воздуха за фронтом ударной волны при скоростях до 10 км/с // Физико-химическая кинетика в газовой дина-мике. 2016. Т.17, вып. 1. http://chemphys.edu.ru/issues/2016-17-1/articles/624/
32. Козлов П. В., Романенко Ю. В. Исследование временных характеристик излучения ударно нагретого воздуха // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2014. Т. 15, вып. 2.
http://chemphys.edu.ru/issues/2014-15-2/articles/221/
33. Суржиков С. Т. Введение в теорию eRC-моделей аэрофизики высоких скоростей. Общие понятия // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2021. Т. 22, вып. 6. http://chemphys.edu.ru/issues/2021-22-6/articles/967/
34. Суржиков С. Т. Введение в теорию eRC-моделей аэрофизики высоких скоростей. Элек-тронная кинетика двухатомных молекул // Физико-химическая кинетика в газовой динами-ке. 2021. Т. 22, вып. 6. http://chemphys.edu.ru/issues/2021-22-6/articles/968/
35. Суржиков С. Т. Применение квазистационарных eRC-моделей для расчета неравновесного излучения ударных волн при скорости порядка 10 км/с // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2022. Т.23, вып. 4. http://chemphys.edu.ru/issues/2022-23-4/articles/1015/
36. Pauli W. Probleme der modern Physik: Zun A. Sommerfeld 60 Geburtstage // Leipzig. Springer-Verlag, 1928, 30 p.
37. Хьюбер К.П., Герцберг Г. Константы двухатомных молекул. Т. 1, 2. М.: Мир. 1984.
38. Surzhikov S. T. Electronic Excitation in Air and Carbon Dioxide Gas. RTO-AVT-VKI Lecture Series 2008 “Non-Equilibrium Gas Dynamics, From Physical Models to Hypersonic Flights” September 8-12, 2008, 117 p.
39. Cartwright D.C. Rate Coefficients and Inelastic Momentum Transfer Cross Sections for Elec-tronic Excitation of N2 by Electrons // J. Appl. Phys. 1978. Vol. 49. No. 7. Pp. 3855-3862.
40. Gorelov V. A., Gladyshev M.K., Kireev A.Yu., Egorov I.V., Plastinin Yu.A., Karabadzhak G.F. Experimental and Numerical Study of Nonequilibrium Ultraviolet NO and N2+ Emission in Shock Layer // JTHT. 1998. Vol. 12. No. 2. Pp. 172-179.
41. Teulet P., Sarrette J.P., Gomes A.M. Calculation of Electron Impact Inelastic Cross Sections and Rate Coefficients for Diatomic Molecules. Application to Air Molecules // JQSRT. 1999. Vol. 62. Pp. 549-569.
42. Park Ch. Rate Parameters for Electronic Excitation of Diatomic Molecules II. Heavy Particle-Impact Processes // AIAA Paper 2008-1446. 15 p.
43. Gross R. W. F., Cohen N. Temperature Dependence of Chemiluminiscent Reactions II. Nitric Oxide Afterglow // Journal of Chemical Physics. 1968. Vol.48. No. 6. Pp. 2582-2590.
44. Chen Y.-K., Milos F.S. Ablation and Thermal Response Program for Spacecraft Heatshield Analysis // J. of Spacecraft and Rockets. 1999. Vol. 36. No. 3. Pp. 475-483.
45. Smith G. P., Glosley D. R., Eckstrom D. J. Mechanism and Rate Constants for the Chemistry of Radiating, Shock-Heated Air // SRI Project. 6277. MP89-037. 1989.