Теоретические исследования теплообмена при сверхзвуковом обтекании с учетом образования возбужденных частиц тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

московский ш1жо-теж1ч5сшй институт

сметании василий валентинович

' теоезшшскке пссщсваиип тешю0е1енл при сверхзвуковом обтекании с учетом

ОБРАЗОВАНИЯ ВОЗБУЭДШШХ ЧАСТИЦ 01.04.08 - физика и :с!пип плагмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискпяио ученой степени кандидата физияо-1.:атсуат1гоеск!к нолт.

ОДС 533.б + 541.128.1

На правах рукописи

Москва - 1990

Работа выпоснена d Институте высоких температур АН СССР и в Московской физико-техническом институте

Научные руководители:

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Кудрявцев H.H.

кандидат физико-математических наук Дорошенко В.М.

доктор физико-математических наук Тирский Г.А.

кандидат физико-математических наук Колесников а.ф.

Ведущая организация: Институт механики МГУ

Защита состоятся " /3>" и^ДО-/щ 1990г. б / 0 часов на заседании Специализированного ученого Сонета К 063.91.06 при Московском физико-техническом институте по адресу: 141700, г. Долгопрудный Мез к. обл., Инсг/.тугскиГС пар., д. 9, ШУГИ.

С дисссргацмей могло ознакомиться в библиотеке ¿ЙТИ

Автореферат разослан " 1С » 0ЫХ1гец 1990 г.

Ученый секретарь Специализированного совета

к.ф.-м.н. В.В.Ковтук

© Институт высоких температур АН СССР, 1990 г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность теин. Неравновесность внутренних степеней сво-частиц при протекании физико-химических процессов в газе и I взаимодействии газа с поверхностью представляет существенный 'ерес для газовой динамики и физики и химии низкотемпературной омы, что связано с развитием ракетно-космической техники, 13М0ХИМИИ, повышенным интересом к экологическим проблемам.

Эта тема научных исследований стала особенно актуальной в леднее время в связи с необходимостью определения азродина-еских характеристик и тепловых потоков к поверхности косми-ких аппаратов типа "Буран" и проектируемого в нестоящее времен орбиталъног о корабля с аэродинамическим торможением [I]. т конечной скорости протекания физико-химических процессов азе и на поверхности необходим и для расчета теплообмена в ораторных экспериментах, моделирующих условия полета аппа-ов в верхней атмосфере.

При обтекании тела сверхзвуковым потоком газа значительная ть тепловой энергии газа за головной ударной волной высокой снсивности переходит в энергию диссоциации и ионизации. В бо-холодной области, вблизи поверхности твердого тела, энергия азования атомов и ионов мояет возвращаться обратно в поступа-ьные степени свободы при протекании реакций газофазной реком-ации или непосредственно передаваться поверхности тела при гетерогенной рекомбинации атомов.

В условиях, когда характерные газодинамические времена вкания сравнимы с характерными временами ионизации, дкссоци-и или рекомбинации, тепловой поток к поверхности будет суще-знно зависеть от протекания указанных физико-химических про-:ов [2].

Реакции диссооциации и рекомбинации протекают многостадий-с участием молекул в электронно- и колебательно-эозбузден-состсяниях [3]. Поэтому конечное время релаксации этих гренних степеней свободы ысиет оказывать не менее сугцесТвеи-влияние на процессы теплопереноса в условиях сверхзвуково-)бтеяпния.

В настоящее время неравновесная релаксация внутренних сто-гй свободы при сверхзвуковом обтекании тел интенсивно иссло-?ся в следующих двух областях ударного слоя перед телом: $ горячей (Т>10000 К) области за головной ударной волной, существенны процессы диссоциации молекуя, я б) в бола© хо-

лодной (Т< 5000 К) области пограничного слоя вблизи поверхности тела, где существенны процессы рекомбинации атомов. Как показано в работах [1,4,5] в горячей области за головной ударной волной учет релаксации колебательной энергии приводит к замедлении скорости диссоциации молекул и, следовательно, к повышению температуры газа и теплового потока к поверхности. Основные трудности при изучении данного вопроса - отсутствие надежных экспериментал ных и теоретических данных о константах и механизмах диссоциации и колебательной релаксации при температурах Т >10000 К.

Для области пограничного слоя в работах [6,7] исследуется вопрос о влиянии на теплопередачу к поверхности образования при гетерогенной рекомбинации атомов электронно-возбужденных молекул азота и кислорода. В этих работах исследование кинетики образовг ния и гибели электронно-возбужденных частиц ограничивается только рассмотрением по отдельности систем частично диссоциированного азота и кислорода в узком диапазоне условий обтекания. Кроме того, не учитывается образование, релаксация и влияние на кинетику реакций колебательно-возбужденных молекул.

Таким образом, вопрос о механизме релаксации внутренней анергии образовавшихся при рекомбинации молекул в холодной облас ти пограничного слоя и связанном с этим изменении теплового пот( ка к поверхности, остается актуальным и требует дальнейшего исследования.

Цель работы:

1. Разработка полной кинетической схемы физико-химических превращений в газе и на поверхности при сверхзвуковом обтекании тел воздухом с учетом образования и гибели электронно- и колебательно-возбужденных частиц.

2. Проведение численных расчетов теплопередачи к поверхности тел с учетом релаксации внутренней энергии молекул в широком диапазоне условий сверхзвукового обтекания.

3. Выделение основных физико-химических процессов и построение упрощенных моделей релаксации внутренней энергии частиц дл! расчета тепловых потоков при сверхзвуковом обтекании тел воздухом и его компонентами.

Научная новизна. Проведежа теоретическая интерпре-

тация процессов релаксации электронно-возбужденных частиц в воздухе. Для объяснения ряда процессов тушения электронно-возбужде! ных частиц предлакеи новый механизм с неадиабатическими переход: ми в области слабого обменного взаимодействия реагентов.

Разработана кинетическая схема физико-химических процессов частично диссоциированном воздухе с учетом образования я гибо-электронно- и колебательно-возбужденных частиц а газовой фазо на поверхности.

Предложены численный метод расчета поуровневой кинетккп я троекопнческая модель релаксации колебательнэ-возбуядвгашх мо-сул в окрестности критической точки обтекаемых затупленных тел.

Разработан метод расчета скорости диссоциации-рекомбинации I существенно неравновесном распределении молекул по колебатоль-I уровням.

Проведены численные расчеты теплового потока к поверхности гатояьных аппаратов и лабораторных моделей с учетом образования таксации электронно- и колебательно-возбужденных частиц а ши-:ом диапазоне условий обтекания.

Практическая ценность. Построенные корреляционные диаграмма 1ерхностей потенциальной энергии и теоретическая интерпретеция )цессов релаксации электронно- и колебательно-возбунденннх тиц позволяют объяснить и предсказать скорости и продукты ре-;ий тушения в широком диапазоне температур. ¡Громе неравновес-еэродкншдпен это представляет значительный интерес тшгао для зга атмосферы и для физики и химии низкотемпературной плазмы, поденные результаты и методы расчетов теплового потока йогу! ь использованы при выборе условия полета космических аппара-и при интерпретации лабораторных экспериментов с сверхзвупо-обтвкяннеи тел. Разработанные методы учета релаксации смутней онергии могут бить полезны также при исследовании нерав-ееных {трсцессов в других физических системах с различной га-кнамаческой кертиной течения (сопла, ударные волны, НГД-гене-ор и др.).

Апробация работы. Основные результаты диссертации доклодава-ь на научно-технических конференциях ЫФТИ в 1985+1990 г., па Зсозрээной конференции "Кинетические и газодинамические про-:ы в неравновесных средах" Шраснсвидово, 1988 г.), на Ш Всо-шсь! совещании "Вопросы физики и газодинамики ударных воян" 1л9Длвостоя, 1989 г.), на IX Всосоизнои симпозиуме по гореняо грызу (г.Суздаль, 1989 г.), на У Всесоюзной школо-сеиипро ¡ременные проблем жидкости и газа" (г.Иркутск, 1990 р.), на шире по физико-химической газовой динамике под руководством Рессора Г.А.Тирского.

Публияпции. По теме диссертации опубликовано 10 печатных ра-

бот, список которых приведен в конце автореферата..

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введ шш, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы из 22 наименований. Содержит /43 страниц машинописного текста, 3 J рисунков и таблиц, всего -25$ страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность теми, приводится кратк обзор работ, посвященных влиянию релаксации внутренних степеней свобода на тепловой поток к поверхности тела, обтекаемого сверх звуковым потоком газа. Изложена цель и структура диссертации.

В первой главе приводятся экспериментальные данные и теоре тическая интерпретация процессов релаксации электронно- и колеб тельно-возбужденных частиц в частично диссоциированном воздухе.

В § I.I. построены корреляционные диаграммы электронных со стояний сталкивающихся атомоз и молекул с состояниями трехатомного промежуточного комплекса для столкновений Nt-Ng, Ng+O, IÍ0+N N0+0, Og+N, Ogi-O, которые качественно характеризуют поведение поверхностей потенциально;'! энергии (ППЭ) систем при сближении реагентов на расстояние действия внутримолекулярных сил Построение корреляционных диаграмм оспоривалось на соответствии симметрии волновых функций состояний сталкивающихся частиц и си метрии волновых функций состояний соответствующей трахатомной и лекулы. Данные о симметрии волнопьк функций и энергиях электрон ных состоящий трехатомных молекул брались из имеющихся в литера туре результатов неэмпирических расчетов. При построении коррел ционных диаграмм учитывались диабетические корреляции состояний называющие на рюрешенность или эапре:1,енность корреляций занят одноэлектронных орбиталей реагентов и столкнозительного коыплек . Корреляционные ди.-дгранъц исследуются рля различных типов геомет рии сближения атома и молекулы: Cs,.C2ir, С„о^ . Для геометрии ли нейного столкновения на Рис. I и 2 приведены корреляционно диаграмм систем Ng и N^0 соответственно. Для общего случая сии метрии столкновения Cs (симметрия относительно отражения в плос кости трех атомов) на Fue. 3 и 4 приведены корреляционные диагр мы систем НОg и Од соответственно.

В § 1.2. дана теоретическая интерпретация механизмов тушен электронно-возбужденных частиц. Рассматриваются следующие механ мы тушения: с образованием молекулярного промежуточного коыплек с образованием ионного промежуточного комплекса, с иеадиабатиче кими переходами в области слабого обменного взаимодействия, с

я

UUHOÜOHiiyOLO

üiídioííooj uirtf qZ¡¡ НПОХЭИЭ eiIU THMisdJTHitf itcHiioKnuifsddoji "¿ 'ои,

0

Ъ Ь 9

о

-"О ífttiiaaoiijtifoiio Híídianoaj HEtf % киэюио ещ uwiredamitf LfGHHoutiHiíaddo}' • т 'он,

О

ъ h 9

ьы а

б

2 О

Рис. 3. Корреляционная диаграмма П11Э системы ЙОо для геометрии столкновения С^

к г о

Рис. 4. Корреляционная диаграмм 11ПЗ системы Од в геометрии стол; новения . а - триплетные, б- синглетные ПЮ

6

а .

«Л.

[льнодействующим электростатическим взаимодействием.

Построенные в § 1.1 корреляционные диаграммы указывает на ¡знотность безактивационного образования молекулярного комплекса, :ли какая-либо из возмотаых ППЭ реагентов коррелирует с состояли промежуточного комплекса, энергия образования которого штяо [ергии образования реагентов. Образовавшийся молекулярный ксмп-!кс мо.-кет распасться по той же адиабатической ППЭ с образованием >вых химических веществ или по другой ППЭ в результате неадиаба-меского перехода в области пересечения (квазипересечения) тер-13. Если время жизни промежуточного комплекса по отношения к об-1Тному распаду достаточно велико, то вероятность распада в ре-■льтате неадиабатического перехода метет быть большой, поскольку I это время жизни колебания трехатомной молекулы приводят к мно-мратному прохождению области пересечения термов.

Для высоковозбужденных частиц аналогичный долгоживущий гсомп-!кс мсдет образовываться на расстояниях мекду реагентами,несколь-| больших, чем характерные расстояния внутримолекулярных сил

Формирование такого комплекса осуществляется в резуль-ле перехода электрона с одного реагента на свободную орбиталь угого реагента в месте пересечения диабатических ионного и ко-[Лентного терма. Электронный терм образовавшейся ионной пары 'иближенно опиеызается при И>1?с энергией кулоновского взаимодей-вия. При когда существенно обменное .взаимодействие, энер-

я электронного терма будет стремиться , как правило, к болео сокой энергии электронного состояния трех атомной молекулы,с ко- • рым коррелирует донная ППЭ реагентов. Пример корреляционной ди-раммн с учетом ионных термов приведен на Рис. 5 для системы 0. Видно, что столкновение

мотет приводить к об-зовянкю ионного долгаяивущего промежуточного комплекса..

Реакции, в которых возмешо безактивационноо образование лготеивущего молекулярного или исгашго комплекса имеят сеченио рядка сечсния газокинетичееккх столкновений, а выделяющаяся ергия распределяется по всем степеням свободы продуктов реакции.

Предложенный в данной работе механизм с ноадиабаэттескими реходпми р области слабого обменного взаимодействия связан с яимодействием термов одинаковой симметрии, имеющих пересеченно и бесконечно большом расстоянии мезду реагентами. Рассмотрим, я примера, столкновения Н2+Н. Как видно из данных Рис. б, ППЭ олкновгнил Яр

пересекается в области ыининума ергпи М2(А31и+) с ППЭ столкновения Н^СХ1 1?+)+М(2Р). При

Рис. 5. Диаграмма поверхности потенциальной энергии для системы ИоО в геометрии С^ о учетом ионных термов

Рис. б. ППЭ системы N3 в зависимости от расстояния между двумя атомами азота ч при удаленном на бесконечность третье атоме азота

А

голкновении колебательно-возбужденной молекулы 1„) о

становится возможным также пересечение с ППЭ столкновения г>(Х* Г При приближении налетающего атома азота будет

роисходить взаимодействие и расталкивание электронных термов гщой симметрии в месте их пересечения и возможен переход с одой ППЭ на другую. Из-за малого значения необходимой для эффектного ноадисбатического перехода величины расталкивания термов цной симметрии эти переходы совершаются на больших расстояниях эзду реагента»,и, когда еще мало перекрывание орбит алей (ШЕ^). оэтому для этих реакций вотможно сечение близкое к сечения газо-янетических столкновений, а дефект энергии выделяется, в основам, в колебательные степени свободы молекул.

Если реагенты имеют отличный от нуля днпольный момент пере-ода в состояние продукта реакции, то аналогичные взаимодействия езду пересекающимися термами и связанные с этим реакции туше-ия могут обусловливаться механизмом с даньнодействугощим электро-гатическим взаимодействием реагентов.

В § 1.3 дан обзор имеющихся в литературе данных по экспери-ентальному определения констант скоростей образования и тушения лектронио-возбуяденных частиц компонент частично диссоциирован-ого воздуха. Для многих процессов приводится краткий теорети-есиий комментарий на основании результатов § 1.2 о механизмах о возможных константах скоростей и продуктах реакции.

В § 1.4 приводятся имеющиеся в литературе экспериментальные теоретические донные о скоростях тушения колебательно-возбуя-енных молекул.

Во второй главе исследуется влияние образования в погранич-ом слое колебательно-возбужденных молекул на тепловой поток к оверхности твердого тела, обтекаемого диссоциированным азотом.

При газофазной рекомбинации атомов азота образуются КВМ N2 а высоких уровнях возбуждения. В связи с существенно неравновесии распределением молекул по колебательным уровням и необходи-остьо учета сильной зависимости скорости тушения ангармоничесяо-о осциллятора от номера колебательного уровня использование тендартных методов учета колебательной релаксации на основе вазистационарных распределений по уровням не представлялось позорным.

.В § 2.1 приводится система уравнений химически релаксирухще-о пограничного слоя в окрестности критической точки затупленного ела совместно с уравнениями поуровневой кинетики колебательно-

колебательной ( УУ- ) и колебательно-поступательной (\/Т-) релаксации КВМ N2 (учитывалось 50 первых колебательных уровней молекулы азота). Описывается предложенный в данной работе численный метод решения исследуемой системы уравнений, который основывается на аналогии этой системы с уравнением двумерной диффузии (по пространственной координате и по уровням колебательной энергии) , что позволяет применить экономичный полунеявный численный метод решения эллиптических уравнений.

Пример результатов численных расчетов неравновесной функции распределения приведен на Рис. 7. Данные этого рисунка показывают, что функция распределения молекул по колебательным уровням имеет существетю небольцмановский вид: ниже определенного колебательного уровня, зависящего от точки пограничного слоя, как УУ- , так и УТ- релаксация практически заморожена, а выше, вследствие быстрого протекания V Т -релаксации, устанавливаете? квазистационарное распределение,близкое к больцмановскому с температурой примерно равной поступательной температуре газа, воз-цущенное процессом рекомбинации атомов. Рис.7. Зависимость относительной массовой концентрации КВА1 на уровне С Х* от Энергии уровня (Г ¡¡V в различных сечениях погранслоя

*): I - на поверхности тела ч.-О , Т*=300К; 2 - Ч =0.3, Т=2Пб; 3 - Ч «043 , Т= 2830К; 4 - ? -0.97 , Т-Б070К; 5 -£«1.73, ^=670011.

Считалось, что при газофазной рекомбинации образуются КВМ на 40-ом уровне.

Условия расчетов: Р »1,6 Ю\ Ре«.0,9атм, Те=те0ОК,

1>300К, £„^0

Наличие в катздой точке пограничного слоя группы уровней, на которых колебательная релаксация практически заморожена и группы уровней, где УТ - релаксация протекает быстро, позволи ли в 5 2.2 разработать макроскопическую модель релаксации колоб тельной энергии высоковозбунденных молекул в пограничном слое. В этой упрощенной модели считается, что ниже критического колей тельного уровня VI- релаксация заморожена, а выше - протекает мгновенно. Значение критического уровня определяется из П£ мерного равенства характерных времен диффузии молекул через по-

личный слой и УТ - релаксации КВМ на уровне <7* в данной те пограничного слоя. Из-за сильной зависимости скорости \/Г -[аксации от номера колебательного уровня и от температуры газа ' мчина 17* в пограничном слое изменяется от 40+50 вблизи >ерхности тела до 1Г* = О на внешней границе пограничного слоя, зланнне упрощения позволяют вместо решения системы уравнений с (Тровневой кинетикой релаксации ИВ И ввести два дополнительных згаемых з уравнение энергии. Одно обусловлено тепловыделением 1 газофазной рекомбинации атомов в точке пограничного слоя ^ , провождающеесл быстрой УТ - релаксацией образовавшихся высо-возбужденных КВМ до уровня (/*( 1), другое - выделением энер-л при \/Т - релаксации молекул на уровнях (^К которые

падают в точку ц в результате диффузии из более холодной об-сти пограничного слоя. В рамках этой макроскопической модели зможен также и учет образования КВМ при гетерогенной рекомби-ции атомов. Но гетерогенная релаксация КВМ в рамках макроскописк ой модели учитываться не может.

На Рис. 8-12 приведены результаты расчетов тепловых потоков поверхности в широком диапазоне условий обтекания диссоцииро-нньм азотом: давление в критической точке %=10"*ч5 атм, гради-т скорости обтекания Р =10^+10^ с-*, температура поверхности , =300-2500 К, степень диссоциации набегающего потока сКе= 1,0541,0, вероятности гетерогенной гибели атомов и КВМ , ^ =0,0+1,0. Параыетрц варыфовались около двух характерных знаний: а) соответствующих условиям экспериментов [8Д (Рис. 8а-а): р =1,6-10 5 с"1, Ре=0,9 атм, с<е =0,79, Т^ЗОО К,^=0; соответствующих условиям экспериментов [9] (Рис. 86-116): =Ю4 с-1, Ре=0,1 атм, 0^=0,346, Т^ЮОЭ К,¥/,^0. Кривые Гна ¡с■ 8-11 соответствуют расчетам в предположении о равновесной ^определении молекул по колебательным уровням, 2 - решениям • {схемы уравнений погрснпчного слоя с поурошепой кинетикой колокольной релаксации, 3-е использованием предложенной в данной гботе мшсроскогагческой модели релаксации КВМ в пограничном слое.

Как видно из данных, представленных на этих рисунках, учет Зразовенил и конечного времени релаксации КВН Н2 при газофазной " экоибинацни может обусловливать снижение теплового потока к по-зрхности до 40$. Такое снижение наблюдалось экспериментально в 3], что можно рассматривать как косвенное подтверждение влияния елахсации КВМ.

На Рис. 12 представлены рассчитанные зависимости теплового

10* АО4 102 ри-<)

Рис.8. Зависимость параметра теплопередачи от градиентг

скорости обтекания в критической точке А . Точками представлены результаты экспериментов [61

0.3

0.2.

0.1

а в 1 5 '. / ¡г

/ Г

// /

1<Г

100

го

-1

Рис.9.Зависимость параметра теплопередачи от давления га • в пограничном слое Р„

к

0.20

0.15

0.10

0.5 0.5 о(г

Рис.10. Зависимость параметра теплопередачиКЛ^от степени диссоциации молекул азота на внешней границе погранслоя (¿е

Рис. II. Зависимость параметра теплопередачи Л^/Х^от температуры поверхности Т„

s

W 4 t

У

iO

Г 2

10

У,

потока на поверхность Q^ от вероятности гетерогенной рекомбинации атомов азота Y,, и вероятности гетерогенной гибели КВМ Считалось, что при гетерогенной рекомбинации атомов образуются КВЫ на 8-м колебательном уровне.

Рис. 12. Тепловой поток Q„г Qw в зависимости от ВГР атомов ¡¿т \ у« при различных вероятное-тях гетерогенного тушения КВМ ft . Условия расчетов: Р. =0.1 атм, Т»=Е05О К, & = -I0V' , Т*=300 К. Кривая I получена в предположении о равновесии колебательных и поступательных степеней свободы молекул, 2 - 2'"- с учетом релаксации IBM при различных вероятностях гетерогенного,тушения КВМ: 2 - JT,=0, 2'-=0.01 Г„ ,V- IHJ.lV, ,

Из донных Рис. 8-12 следует, что при ^ < 0.01 (ото характерно для большинства представляющих практический интерес поверх ностей) для всех проведенных расчетов теплового потока результаты, полученные с помощью макроскопической модели, отличаются менее чем на 3% от результатов, полученных с использованием поурог невоЙ кинетики релаксации КВМ. Кроме того, дополнительные исследования в разделе 2.2 показали, что наблюдается хорошее соответствие этих моделей й определении профиля температуры и концентраций вблизи поверхности.

В § 2.3 исследуется влияние существенно неравновесного распределения КВМ по уровням на скорость диссоциации в холодной области пограничного слоя. Разработан метод расчета скорости диссоциации-рекомбинации в существенно неравновесных условиях. Сущность этого метода заключается в выделении,в зависимости от температуры и характерна* газодинамических времен, группы верхних уровней, где процессы VT-релакссции протекают достаточно быстро так, что на этих уровнях успевает установиться квазистац онарнов распределение молекул по колебательным уровням. Это позволяет выразить эффективную константу скорости диссоциации с колебательного уровня 17 через экспериментально измеренную пр условиях квазистациснарного распределения по всем колебательным уровням константу скорости диссоциации и константы скорости VX процессов на уровнях tf^F *. Концентрация молекул на уровне находится из решения уравнения пограничного слоя и поуровневой

инетгаси релаксации КВМ на уровнях $ 4 1/"

Проведенные численные расчеты показали, что для характерных словий обтекания учет колебательного возбуждения увеличивает корость диссоциации, но это увеличение незначительно по сравнена со скоростью рекомбинации атомоа в пограничном слое. Поэтому ля определения скорости диссоциации-рекомбинации можно польэо-аться обычньш феноменологическим выражением, справедливым для вазистационарных условий. Это приводит к незначительным, меньше ,555, погрешностям о определении теплового потока к поверхности.

В главе 3 исследуется неравновесное возбуждение колебатель-« и электронных степеней свободы компонент воздуха в холодной власти ударного слоя при спуске летательных аппаратов в верхней биосфере.

В § 3.1 на основе данных главы I разработана кинетическая :ема релаксации внутренней энергии в частично диссоциированной одухе.

Молекулы 02( С*4А| ) и ), имеющие энергию аозбужде-

л 0,У8 эВ и 1,64 эВ тушатся с характерными временами сравнится! -и деле большими, чем характерное время диффузии через пограккч-й слой . Тушение КВМ N2 происходит, в основном, на атомах

Зр) со временами, сравнимыми с Т</ . Время тушения КВМ и КО атомах 0 много меньше <•<! . Высоковозбужденные частицц (к3^), 02(А3Г^1А'3Д4,с1Гй), ОС'Я ), МС^Р) исчезают за времена '«•'С^ в результате быстрых каскадных процессов взаимного обыа-энергией электронного возбуждения и последующего тушения в роднях й(2Р)+М(%) — Н(22),45)+М(45), Н(2Р)+0(3Р) N

Атомы К(22) и 0(Ъ) также быстро тушатся на атомах

Таким образом, для характерных условий обтекания воздухо« >бход>шо учитывать образование и гибель только электронно-воэ-денных молекул (^(С^Д^. ), )• и КВМ И^- Молекулы

) образуются при рекомбинации атомов в незначительных мчествах. Молекулы о М^ ) могут эффективно образовываться гетерогенной рекомбинации атомов кислорода. КВМ образуются рекомбинации атомов азота, в реакции Н+КО -*- Ы2+0 и при ту-ии молекул ^(А^ Е м+).

В § 3.2 для условий спуска космического корабля "Спейс Шаттл' ведены результаты численных решений уравнений тонкого вязкого рного слоя в окрестности критической точки с учетом образова-И гибели КВН N2 и молекул (^(я4^). В этих условиях газофаз-

ная рекомбинация атомов практически заморожена. НВМ образуются при гетерогенной рекомбинации атомов азота и в обменной реакции 1МЮ-»- Ы^+О. Молекулы О2СЯ* Д^.) образуются при гетерогенной рекомбинации атомов кислорода.

На Рис. 13 гтредстазлены результаты расчетов теплового потока к поверхности космического аппарата "Спейс Шаттл:' в зависимости от высоты полета для траектории спуска - 2. Рвдиус кривизны поверхности в окрестности критической точки =0.815 м. Для крив!,к I и I вероятность гетерогенной рекомбинации атомов равна нулю, для кривой 2 - единице. Кривые 3-3 получены при константе скорости гетерогенной рекомбинации атомов кислорода Аи =10.4 м/с и атомов азота - А", = 3,1 м/с. Поверхность считалась некаталит1гческой по отношению к тушении КВМ 112- Температура поверхности определялась из условия равенства теплозого потока интенсивности излучения поверхности, имеюпузй степень черноты 0,8 Расчеты кривых 1,2,3 проведены в предположении о равновесии внутренних и поступательных степеней свобода компонент воздуха. Для кривых I , 3 учитывалась релаксация К8М и считалось, чте при гетерогенной рекомбинации атомов азота и в обменной реакции

Для кривой з" дополнительной принималось, что при гетерогенно!'. рекомбинации атомов кислорода в 30& случаев образуются ?.;олс;гулы а для кривой 3'"считалось, что молекула О^Са^Д^) с разуется в 100/5 случаев гетерогенной рекомбинации ат отлов ккслог да.

Из данных Рис. 13 сядно, что на высотах Н=60-80 км кателя! ческал активность поверхности молот обусловливать большую чает! теплового потока к поверхности. На высотах более 80 км воздух

16

1е успевает существенно диссоциировать за время прохождения от 'дарной волны до поверхности, а на высотах менее 60 км скорость юлета невелика и энтальпии набегающего потока недостаточно для ¡ущественной диссоциации компонент воздуха. Поэто:лу при Н<60 км I :^>80 км влияние каталитичности поверхности невелико.

Учет конечной скорости релаксации НВМ при нскаталитической : рекомбинации атомов поверхности (кривая I ) приводит к незна-:ительному уменыяени» теплового поток?, на поверхность, дост/гаю-[ему 5-10?) только на высотах Н>75 км, т.к. в этой области вр'эмя дффузии молекул в пограничном слое мало и релаксация КВ1Л прак-ически полностью заморожена. Учет частичного выделения эноргнч имических реакций в колебательное возбуждение молекул азота ри реальной каталитичности поверхности (кривая 3 ) приводит л ущеетвенному, до 10-15/', уменьшению теплового потока практичес-и для всего теплонепряжс-нного участка траектории полета. Допол-ительный учет образования с эффективностью 30^ молекул О^Са^Д^ ) ри гетерогенной рекомбинация атомов кислорода (что характерно ля некоторых поверхностей) приводит к еще большему, до 15-25%, меньменига величины теплового потока к поверхности (кривая 3").

В заключении сформулированы основные результаты и выводы аетоящей диссертационной работы:

1. Построены корреляционные диаграммы поверхностей потении-чьной энергии для различных: электронных состояний реагентов, эодуктов и промежуточных-частиц систем N2+14, И^и-О, К0»-К, N0+0, 1-О2, 0+0£. Проведена и дополнена теоретическая интерпро-щия релаксации электронно- и колебательно-возбужденных частиц, мученные результаты позволили интерпретировать имеющиеся в ли-зратура экспериментальные данные, предсказать продукты реакций пленил электронно-возбужденных частиц и оценить скорости проте-иия малоизученных реакций.

2. Разработана кинетическая схема физико-химических процее-щ в частично диссоциированном воздухе с учетом образования и тления электронно- и колебательно-возбужденных частиц. На -основе >авнения характерных времен реакций и типичных газодинамических >емен при сверхзвуковом' обтекании тел, выделены основные физико-мические процессы с участием электронно- и колебательно-возбутк-мних частиц, влияюь^е на тепловой поток к поверхности тела. Для ловий полетов в верхней атмосфере необходимо учитывать только разование и релаксации колебательно-возбужденных молекул Нр и, змакно, олектронно-возбужденных молекул О^Ха^Д^) и 0->(а* ).

3. Разработан метод численного расчета системы уравнений пограничного слоя и поуровневой кинетики релаксации колебательно-возбужденных молекул.

4. Показано, что унос энергии колебательно-возбужденными молекулами, образовавшимися при рекомбинации атомов азота, может

приводить к снижению рассчитанного теплового потока к поверхности до 40&, что находит косвенное подтверлдение в результатах некоторых лабораторных экспериментов. Реализуемое при этом неравновесное распределение молекул по колебательным уровням является су щественно небольцмановским со значительным средним запасом колебе тельных квантов до 5-10 на молекулу.

Б. Предложена макроскопическая модель релаксации колебательно-возбужденных молекул в пограничном слое, в которой в рамках обычных уравнений пограничного слоя (без поуровневой кинетики колебательного энергообмена) колебательная релаксация учитывается путем введения дополнительных членов в уравнение энергии. Показано, что при вероятностях гетерогенного тушения колебательно-возбужденных молекул азота Уо-^ 0.01, результаты, полученные с помощью этой модели согласуются с точностью 2-3$ с расчетами, проведенными с учетом поуровневой кинетики колебательной релаксации.

6. Предложена модель диссоциации с учетом неравновесного распределения молекул по колебательным уровням. Показано, что эффект увеличения скорости диссоциации, связанный со значительным запасом колебательной энергии, в условиях пограничного слоя несущественен по сравнению с определяющим процессом - рекомбинацией атомов.

7. В рамках уравнений тонкого вязкого ударного слоя проведе-■ ни численные расчеты теплового потока в окрестности критической .

точки для характерных условий сцуска по планирующей траектории космического корабля "Спейс Шаттл". Показано, что учет образования КВЫ гри рекомбинации атомов азота и в обменной реакции N+N0 N2+0 приводит к снижению рассчитанных величин теплового потока на 10-15/5. Релаксация КВМ N2 в этих условиях происходит,' в основном, при столкновениях с атомарным кислородом. Возмскное образование с эффективностью ЗОЙ молекул 0£(а* А3,) при гетерогенной рекомбинации атомов кислорода приводит к снижение этой величины до 15-25!?, что связано с уносом из области пограничного слоя запасенной в энергии и, главным образом, с более медлен

ной скоростьп экзотермической реакции -»- N0+0 по

' сравн енио с 02 (X3 ЗЕ^Э+К-*" ГО+0.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих ioTax:

1. Дорошенко В.М., Кудрявцев H.H., Новиков С.С., Сметенин

I. Влияние на теплопередачу образования колебательно-возбужден-[ молекул азота при рекомбинации атомов в пограничном слое // 1 СССР. - 1986.- Т. 301, № 5.- 0. II3I-II35.

2. Беркут В.Д., Кудрявцев H.H., Новиков С.С., Сметании В.В. шние гетерогенного образосания электронно-возбужденных моле-

[ на теплопередачу в условиях сверхзвукового обтекания восду-I. - Москва, 19с36.- 49 с. / Препринт ИПМ АН СССР: № 347/

3. Дорошенко В.М., Кудрявцев H.H., Новиков С.С., Сметанин

S. Влияние колебательной неравновесности молекул азотн на теп-гередачу в пограничном слое // Тез.докл. / 1У Всесоюзная кои-->енция "Кинетические и газодинаыическип процессы в неравновес-: средах". - Москва, 1988. - С. 42-43.

4. Дорошенко В.И., Кудрявцев H.H., Сметанин В.В. Влияние юбательной нерпвновесност!'. на диссоциацию молекул в погранич-I слое // "Химическая физика процессов горения и взрыва". Ки-•ика химический реакций. Материалы IX Всесоюзного симпозиума горению и взрыву. - Черноголовка, 1989. - С. 63-67.

5. Дорошенко В.М., Кудрявцев H.H., Сметанин В.В. Теплообмен I сверхзвуковом обтекании диссоциированным азотом с учетом об-ювания колебательно-возбужденных молекул // Мат.мод. - 1989.-I, Р 12. - С. 13-21. . !

6. Дорошенко В.М., Кудрявцев H.H., Новиков С.С., Сметанин

1. Влияние на теплопередачу образования колебательно-возбужден: молекул азота при рекомбинации атомов в рогран^/ном слое // иофизика высоких температур.- 1990,- Т. 26, № I,- С. 62-89.

7. Дорошенко В.М., Кудрявцев H.H., Сметанин В.В. Колебатель-[ неравновесность при обтекании затупленных тел диссоцинровач-

1 азотом.- Москва, 1990. - 44 с. /Препринт ИВТАН: № 1-2Э4.

В. Дорошенко В.11., Кудрявцев H.H.; Сметанин В.В. Обтекание упленного тела гиперзвукоьым потоком воздуха с учетом позбуж-:ия внутренних степеней свободы молекул // Тезисы докл. / У союзная школа-семинар "Современные проблемы жидкости и газа" 0 г. - Иркутск, 1988. - С. 138-139.

9. Дорошенко В.М., Кудрявцев H.H., Сметанин В.В. Макроско-еская модель теплообмена в пограничном слое с учетом колеба-ьно-возбужденных частиц // ДАН СССР.- 1990. - Т- 313, № 5.-НО-ШЗ.

10. Дорошенко В.M., Кудрявцев H.H., Сметанин В.В.Ыакроскс пическая модель колебательной релаксации в задачах теплопередач при сверхзвуковом обтекании твердых тел ff "ТОТ.- 1990.- т. 28, * 5.- С. 952-959.

ЛИТЕРАТУРА

1. Park С. Assesnmnt of Two-Teraperature Kinetik Model for Ionizing Air. - N.-Y., 1987. - 13 p. / AliU. - paper: N 1574 /

2. Неравновесные физико-химические процессы в аэродинамике

B.П.Агафонов, В.К.Вертугакин, А.А.Гладков, О.Ю.Полянский.- М.: Машиностроение, 1972.- 344 с.

3. Никитин Е.Е.Теория элементарных атомно-молекулярных про цессов в гяэях. - М.: Химия, 1970.- 456 с.

4. Ялуктов C.B., Тирский Г.А. Влияние колебательно-диссоци ионного взаимодействия на теплопередачу и сопротивление при гиперзвуковом обтекании тел П Изв. АН СССР, сер.Меж.жидк. и газа 1990.- » 3.- С. 141-151.

5. Тирский А.Г., Целин B.C., Щербак В.Г. Моделирование химически и термодинамически неравновесных течений около тел, движущихся вдоль планирующих траекторий // Нат.мод.- 1990.- Т. 2, № 4.- С. 28-38. ■ .

6. Беркут В.Д., Кудрявцев H.H., Новиков С.С. Теплофизичес-кио свойства поверхностей обусловленные аккомодацией химической энергии сверхзвукового потока диссоциированного газа.- М.: ИВТА1 1986.- 135 с /Обзоры по теплофиэическим свойствам веществ: № 2 (58)/.

7. Беркут В.Д., Кудрявцев H.H., Новиков С.С. Влияние реакций электронно-возбужденных молекул кислорода в погранслое на теплоперенос к поверхности, обтекаемой сверхзвуковым потоком диссоциированного воздуха // Хим.физика.- 1988.- Т. 7, № 7.-

C. 979-985.

8. Воронкии В.Р., Яхлаков D.B. Экспериментальное исследование теплообмена в окрестности критической точки при неравновеснь физико-химических превращениях и определение константы скорости рекомбинации азота ff Изв.АН СССР, сер.Мех.жидк. и газа.- 1973.» 3.- С. 128-135.

9. Колесников А.Ф., Якушин М.И. Об определении эффективных вероятностей гетерогенной рекомбинации атомов по тепловым потоке к поверхности, обтекаемой диссоциированным воздухом ffМат.мод.-1989.- T. I, » 3.- С. 44-60.