Нелинейная динамика акустической неустойчивости в колебательно-возбужденном газе: влияние времени релаксации и структура ударных волн


Просмотр статьи
PDF, 1,5 МБ

Nonlinear Dynamics of Acoustic Instability in a Vibrationally Excited Gas: Influence of Relaxation Time and Structure of Shock Waves

The paper considers the dynamics of a nonequilibrium acoustically active gas in which, due to relaxation processes, sound waves become unstable and, at the nonlinear stage of evolution, form a quasi-stationary system of shock-wave pulses propagating at a super-sonic speed from the disturbance source. Based on the methods of numerical gas-dynamic modeling, it is shown that the dynamics and structure of these shock-wave pulses depend on the model of the oscillatory relaxation time. If this relaxation time de-creases with increasing temperature faster than a certain critical value, then conditions for the development of local thermal instability may arise between the shock wave fronts, which, in areas with a high degree of nonequilibrium of the medium, leads to a thermal explosion and the formation of strong shock waves with a small density jump. These shock waves do not have the property of evolution, and therefore, over time, they relax to a stable state corresponding to the structure of the shock-wave pulses. A detailed analysis of the numerical simulation results showed that the intensity and structure of shock-wave pulses do not depend on the initial disturbances, but are determined only by the initial parameters of the nonequilibrium medium. Consequently, the system of shock-wave pulses is a nonlinear autowave structure. A nonlinear algebraic equation is obtained that describes the structure of shock waves in a nonequilibrium vibrationally excited gas, taking into account heating and cooling. The solution of this equation describes a nonequilibrium shock adiabat in the presence of external sources of energy pumping and heat removal in the gas. Good agreement is shown between the structure of shock waves obtained in numerical experiments and the nonequilibrium shock adiabat.

nonequilibrium gas, vibrational relaxation time, acoustic and thermal instabilities, shock-autowave pulses, parallel gas-dynamic algorithms.

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.25.7.1151


Том 25, выпуск 7, 2024 год



Рассмотрена динамика неравновесного акустически активного газа, в котором из-за релаксационных процессов звуковые волны становятся неустойчивыми и на нелинейной стадии эволюции формируют квазистационарную систему ударно-волновых импульсов, распространяющихся со сверхзвуковой скоростью от источника возмущений. На основе методов численного газодинамического моделирования показано, что динамика и структура этих ударно-волновых импульсов зависит от модели времени колебательной релаксации. Если это время релаксации убывает с ростом температуры быстрее некоторого критического значения, то между фронтами ударных волн могут возникать условия для развития локальной тепловой неустойчивости, которая в областях с высокой степенью неравновесности среды приводит к тепловому взрыву и формированию сильных ударных волн с малым скачком плотности. Эти ударные волны не обладают свойством эволюционности, и поэтому с течением времени релаксируют к устойчивому состоянию, соответствующему структуре ударно-волновых импульсов. Детальный анализ результатов численного моделирования показал, что интенсивность и структура ударно-волновых импульсов не зависит от начальных возмущений, а определяется только исходными параметрами неравновесной среды. Следовательно, система ударно-волновых импульсов представляет собой нелинейную автоволновую структуру. Получено нелинейное алгебраическое уравнение, описывающее структуру ударных волн в неравновесном колебательно-возбужденном газе с учетом нагрева и охлаждения. Решение этого уравнения описывает неравновесную ударную адиабату при наличии в газе внешних источников энергетической накачки и теплоотвода. Показано хорошее согласие структуры ударных волн, получаемых в численных экспериментах, с неравновесной ударной адиабатой.

неравновесный газ, время колебательной релаксация, акустическая и тепловая неустойчивости, ударно-автоволновые импульсы, параллельные газодинамические алгоритмы.

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.25.7.1151


Том 25, выпуск 7, 2024 год



Исходные файлы рисунков

Просмотр
7,4 МБ


1. Макарян В. Г., Молевич Н. Е. Структура слабых ударных волн в стационарно неравновесной среде // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2005. Т. 3. http://chemphys.edu.ru/issues/2005-3/articles/84/
2. Макарян В. Г., Молевич Н. Е. Слабые ударные волны в неравновесных средах с отрицательной дисперсией // Журнал технической физики. 2005. Т. 75, вып. 6. С. 13–18.
3. Makaryan V. G., Molevich N. E. Stationary shock waves in nonequilibrium media // Plasma Sources Science and Technology. 2007. V. 16. № 1. Pp. 124–131.
4. Molevich N. E., Galimov R. N., Makaryan V. G., Zavershinskii D. I. General nonlinear acoustical equation of relaxing media and its stationary solutions // The Journal of the Acoustical Society of America. 2013. V. 133. № 5. Pp. 3555–3563.
5. Храпов С. С. Нелинейная динамика акустической неустойчивости в колебательно-возбужденном газе: влияние нагрева и охлаждения // Физико-химическая кинетика в газо-вой динамике. 2023. Т.24, вып. 6. http://chemphys.edu.ru/issues/2023-24-6/articles/1059/
6. Храпов С. С., Иванченко Г. С., Радченко В. П., Титов А. В. Численное моделирование акустической неустойчивости в неравновесном колебательно-возбужденном газе // Журнал технической физики. 2023. Т. 93 № 12. С. 1727–1731.
7. Храпов С. С. Численное моделирование ударных волн в неравновесном химически активном газе // Математическая физика и компьютерное моделирование. 2024. Т. 27. № 1. С. 86–96. https://doi.org/10.15688/mpcm.jvolsu.2024.1.6
8. Панасенко А. В. Результаты расчетов распространения детонационных волн в канале с водородосодержащей смесью газов // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2023. Т. 24, вып. 3. http://chemphys.edu.ru/issues/2023-24-3/articles/1045/
9. Голятин В. Ю., Кучинский В. В., Сухомлинов В. С. Влияние внешнего энергоподвода в область ударного слоя на структуру ударной волны // Журнал технической физики. 2005. Т. 75. № 5. С. 52–59. https://journals.ioffe.ru/articles/8549
10. Осипов А. И., Уваров А. В. Кинетические и газодинамические процессы в неравновесной молекулярной физике // Успехи физических наук. 1992. Т. 162. № 11. С. 1–42. https://doi.org/10.3367/UFNr.0162.199211a.0001
11. Ковач Э. А., Лосев С. А., Сергиевская А. Л., Храпак Н. Каталог моделей физико-химических процессов 2. Процессы колебательного энергообмена // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2010. Т. 10. http://chemphys.edu.ru/issues/2010-10/articles/332/
12. Шоев Г. В., Бондарь Е. А., Облапенко Г. П., Кустова Е. В. Разработка и апробация методики численного моделирования термически неравновесных диссоциирующих течений в ANSYSFluent // Теплофизика и аэромеханика. 2016. Т. 23. № 2. С. 159–171.
13. Суржиков С. Т. Применение квазистационарных eRC-моделей для расчета неравновесно-го 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/
14. Surzhikov S.T. Non-Equilibrium Supersonic Flow Past a Blunt Plate at High Angle of Attack // Fluid Dynamics. 2023. V. 58. No. 1. Pp. 113–127. https://doi.org/10.1134/S0015462822700033
15. Арсентьев И. В., Шарипов А. С., Луховицкий Б. И. Уточнение модели колебательной неравновесности с использованием однотраекторных молекулярно-динамических расчетов применительно к воспламенению синтез-газа за ударной волной // Авиационные двигатели. 2021. № 2(11). С. 61–69. https://doi.org/10.54349/26586061_2021_2_61
16. Sharipov A. S., Loukhovitski B. I. Energy disposal into the vibrational degrees of freedom of bimolecular reaction products: Key factors and simple model // Chemical Physics. 2021. V. 544. P. 111098. https://doi.org/10.1016/j.chemphys.2021.111098.
17. Surzhikov, S.T. Thermogasdynamics of a Model Ethylene-Fueled Combustion Chamber in Supersonic Flow // Fluid Dynamics. 2022. V. 57. Pp. 351–370. https://doi.org/10.1134/S0015462822030144
18. Seleznev R.K. On the Method for Estimating the Integral Characteristics of a Generic Scramjet with an Integrated Propulsion System // Fluid Dynamics. 2023. V. 58. Pp. 1584–1593. https://doi.org/10.1134/S0015462823602607
19. Фролов С. М., Шамшин И. О., Бырдин К. А., и др. Усиление ударной волны в двухфазной смеси перегретого водяного пара и жидкоготриэтилалюминия // Горение и взрыв. 2024. Т. 17. № 2. С. 80–91. https://doi.org/10.30826/CE24170208
20. Шамшин И.О., Иванов В.С., Аксёнов В.С., Гусев П.А., Авдеев К.А., Фролов С.М. Распространение пламени и переход горения в детонацию в полуограниченной плоской щелевой камере сгорания с раздельной подачей этилена и кислорода // Горение и взрыв. 2023. Т. 16. № 4 С. 38–65. https://doi.org/10.30826/CE23160405
21. Шамшин И.О., Аксёнов В.С., Казаченко М.В., Гусев П.А., Фролов С.М. Быстрый переход горения в детонацию в спиралевидных трубах // Горение и взрыв. 2023. Т. 16. № 3. С. 29–50. https://doi.org/10.30826/CE23160304
22. Oran E. S., Gardner J. H. Chemical-acoustic interactions in combustion systems // Progress in Energy and Combustion Science. 1985. V. 11. No 4. Pp. 253–276. https://doi.org/10.1016/0360-1285(85)90003-6
23. Kogan E. Y., Molevich N. E. Sound waves in a nonequilibrium molecular gas // Soviet Physics Journal. 1986. V. 29. Pp. 547–551.
24. Осипов А. И., Уваров А. В. Неравновесный газ: проблемы устойчивости // Успехи физических наук. 1996. Т. 166. № 6. С. 639–650.
25. Молевич Н. Е. Дисперсия скорости звука и вторая вязкость в средах с неравновесными химическими реакциями // Акустический журнал. 2003. Т. 49. № 2. С.229–232.
26. Zavershinskii D., Molevich N., Belov S., Riashchikov D. Over stability of acoustic waves in heat-releasing gaseous media // AIP Conference Proceedings. 2020. V. 2304, issue 1, article id. 020028. https://doi.org/10.1063/5.0034849
27. Храпов С. С., Иванченко Г. С., Радченко В. П., Маковеев И. С. Динамика малых возмущений в неравновесном колебательно-возбужденном газе // Математическая физика и компьютерное моделирование. 2023. Т. 26. № 4. С. 83–105. https://doi.org/10.15688/mpcm.jvolsu.2023.4.7
28. Храпов С. С. Газодинамические неустойчивости в неравновесной химически активной среде // Математическая физика и компьютерное моделирование. 2024. Т.27. № 1. С. 26–44. https://doi.org/10.15688/mpcm.jvolsu.2024.1.3
29. Щелкин К. И. Теория горения и детонации // Механика в СССР за 50 лет. М.: Наука, 1970. Т. 2. С. 343–422.
30. Зельдович Я.Б., Баренблатт Г.И., Либрович В.Б., Махвиладзе Г.М. Математическая теория горения и взрыва. М.: Наука, 1980. 479 с.
31. Millikan R. C., White D. R. Systematics of vibrational relaxation // The Journal of Chemical Physics. 1963. V. 39. Pp. 3209–3213.
32. Гордиец Б. Ф., Осипов А. И., Ступоченко Е. В., Шелепин Л. А. Колебательная релаксация и газовые лазеры // Успехи физических наук. 1972. Т. 108. № 4. С. 655–699.
33. Алемасов В. Е., Дрегалин А. Ф., Тишин А. П., Худяков В. А., Костин В. Н. Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания. М.: ВИНИТИ, АН СССР, 1980. Т. 10. № 1. 379 с.
34. Park C. Nonequilibrium Hypersonic Aerothermodynamics. J. Wiley and Sons, New York, Chichester, Brisbane, Toronto, Singapore, 1990.
35. Косарева А. А., Нагнибеда Е. А. Диссоциация и колебательная релаксация в пространственно однородной смеси CO2 /CO/O // Вестник СПбГУ. Сер. 1. 2016. Т. 3 (61), вып. 3. С. 468–480.
36. Кустова Е. В., Облапенко Г. П., Шарафутдинов И. З. Модели колебательной релаксации в неравновесных многотемпературных течениях // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2015. T. 16. http://chemphys.edu.ru/issues/2015-16-2/articles/536/
37. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика: Гидродинамика. Т. VI. М.: Наука, 1986. 736 с.
38. Зельдович Я. Б., Райзер Ю. П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. М.: Наука, 1966. 688 с.
39. Галкин В. С., Лосев С. А. Уравнения релаксационной газодинамики // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2008. Т. 6. http://chemphys.edu.ru/issues/2008-6/articles/288/