Автореферат (Модели коэффициентов скорости химических реакций для задач неравновесной аэродинамики)

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТНа правах рукописиСАВЕЛЬЕВ Алексей СергеевичМОДЕЛИ КОЭФФИЦИЕНТОВ СКОРОСТИ ХИМИЧЕСКИХРЕАКЦИЙ ДЛЯ ЗАДАЧ НЕРАВНОВЕСНОЙ АЭРОДИНАМИКИ01.02.05 – Механика жидкости, газа и плазмыАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукСанкт-Петербург2018Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете.Научный руководитель:доктор физико-математических наук,доцент КУСТОВА Елена ВладимировнаОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессор Кузнецов Михаил Михайлович,Московский государственный областнойуниверситетпрофессор кафедры теоретической физикикандидат физико-математических наук,Погосбекян Михаил Юрьевич,Московский государственный университетим.

М.В. Ломоносоваведущий научный сотрудник Лабораториикинетических процессов в газахВедущая организация:Федеральное государственное бюджетноеучреждение науки Институттеоретической и прикладной механикиим С. А. Христиановича СО РАНЗащитанадиссертациизаседаниисостоитсясоветагосударственногоД“ 15”212.232.30университетапоиюняна2018базеадресу:годавчасовСанкт-Петербургского198504,Санкт-Петербург,Старый Петергоф, Университетский пр., д. 28, математико-механическийфакультет, ауд. 405.СдиссертациейможноознакомитьсявНаучнойбиблиотекеим. М. Горького Санкт-Петербургского государственного университетапоадресу:насайте199034,Санкт-Петербург,Университетскаянаб.,д.7/9иhttps://disser.spbu.ru/disser/soiskatelyu-uchjonoj-stepeni/dis-list/details/14/1676.htmlАвтореферат разослан “”2018 года.Ученый секретарьдиссертационного советаЕ.В. КустоваОбщая характеристика работыАктуальность темыАктуальностьтемыработыобусловленанеобходимостьюрешениязадач современной высокотемпературной и высокоэнтальпийной газовойдинамики.

Правильный учет химических реакций играет важную роль длякорректного описания динамики неравновесных течений и теплопередачи.Основнымипримерамитакихзадачявляютсяобтеканиекосмическихаппаратов и тел при входе в атмосферы планет, течения при гиперзвуковыхскоростях,процессы,реактивныхзабыватьреакцийпроисходящиедвигателей,иоболееиграетприиспользованиеземныхважнуюрользадачахвистечениилазерных—учетрешениигазовустановок.скоростиизсопелНестоитхимическихэкологическихпроблемиборьбе с загрязнением воздуха. До недавнего времени вычислительныемощности не позволяли проводить расчеты с использованием точныхпоуровневых моделей. Современное развитие техники позволяет активноиспользовать данный подход в моделировании реальных течений.

Носегоиспользованиемсопряженаоднапринципиальнаясложность—дефицит достоверных данных о поуровневых коэффициентах скоростихимических реакций. Самым корректным способом их получения являютсяметоды молекулярной динамики, но они не могут быть непосредственноиспользованы в моделировании течений из-за огромной вычислительнойсложности.простые,Дляноуспешноготочныерешениямоделипоставленныхпоуровневыхзадачнеобходимыкоэффициентовскоростихимических реакций. Решению этой задачи посвящена данная диссертация.Цель работы1.

Систематизация существующих теоретических и экспериментальныхмоделей коэффициентов скорости химических реакций. Определениенаиболеекорректныхмоделей,пригодныхдляпоуровневогоописания неравновесных течений.2. Разработка простых и точных теоретических поуровневых моделейкоэффициентовскоростихимическихреакций,применимыхдлялюбых моделей колебательного спектра.3. Верификация полученных теоретических моделей.4.

Оценкавлиянияпредложенныхмоделейнаописаниепроцессоврелаксации в неравновесных течениях.Научная новизна1. Впервыеполученыкоэффициентовпростыескороститеоретическиехимическихформулыреакций,которыедлянетолько прекрасно согласуются с результатами квазиклассических3траекторных расчетов, но и не зависят от используемой моделиколебательного спектра молекул. В представленных выраженияхиспользуются только значения колебательных энергий, что позволяетиспользовать их без потери точности для любого колебательногоспектра.2.

Впервые получена простая теоретическая формула, учитывающаяколебательное состояние не только реагента, но и продукта обменныххимических реакций, что позволяет существенно увеличить точностьмоделированиясильнонеравновесныхвысокотемпературныхтечений.3. Разработана методика, позволяющая получать теоретические моделипоуровневыхкоэффициентовскоростихимическихреакцийрасчетыкоэффициентовдляразличных газов.4. Проведенысистематическиескоростиреакций в широком диапазоне температур и колебательных энергий,оценено влияние степени неравновесности на точность расчета.5.

Построенныемоделипримененыдлярасчетаконкретныхнеравновесных течений.Научная и практическая ценность1. Полученыпростыехимическихиреакцийточныевмоделивоздухе,коэффициентовкоторыемогутскоростибытьлегкоинтегрированы в существующие программные коды.2. Разработаны и верифицированы методики, позволяющие построитьаналогичные модели с участием других сортов газов (не только ввоздухе, но и в других смесях).3. Созданыпакетов,программныепозволяющиекодысиспользованиемвычислятьматематическихкоэффициентыскоростирассмотренных реакций, разработана библиотека на языке C++;4.

Произведенаоценкаграницприменимостисуществующихтеоретических моделей.Полученные в диссертации поуровневые модели могут быть легкоинтегрированывсуществующиепрограммныекодыиэффективноиспользованы при решении задач неравновесной газовой динамики.Достоверность.основываютсяформулнаРезультаты, полученные в диссертационной работе,строгихиспользуетсятеоретическихсравнениесметодах.результатамиДлянаиболееполученияточныхисовременных квазиклассических траекторных расчетов, обеспечивающихсамые корректные данные скорости химических процессов. Еще одной4гарантиейдостоверностисравнениясданными.Предложенныеполученныхсуществующимисогласованиесвмоделейтеоретическимиработемоделиэкспериментальнымииявляютсяирезультатыэкспериментальнымидемонстрируюттраекторнымихорошеерезультатамившироком диапазоне температур и колебательных состояний реагентов.Параметрытечений,рассчитанныесиспользованиемпредложенныхмоделей, лучше согласуются с данными экспериментов.Положения, выносимые на защиту1.

Методикапостроениятеоретическихкоэффициентовскоростиреакций,колебательногоспектра,имоделейнепоуровневыхзависящихалгоритмвыбораотмоделиоптимальныхпараметров.2. Точныеипростыесвычислительнойточкизрениямоделипоуровневых коэффициентов скорости диссоциации для компонентоввоздуха.3. Поуровневые модели коэффициентов скорости обменных реакцийN2 +O,O2 +Nсучетомколебательноговозбужденияпродуктареакции.4. Программная реализация полученных моделей в средах Maple, Matlab и в библиотеке KAPPA.

Результаты систематических расчетовпоуровневыхимноготемпературныхкоэффициентовскоростиреакций в воздухе в диапазоне температур от 1000 до 15000 K.5. Результатырасчетанеравновесныхтеченийпараметровсвысокотемпературныхиспользованиемпостроенныхмоделей;в ударно нагретом газе применение новых моделей обеспечиваетлучшеесовпадениесэкспериментом;учетколебательноговозбуждения NO существенно влияет на состав смеси за ударнойволной.Апробация работы.Результатыпредставленынаконференциях:МеждународнаяПоляховскиесеминарсвсероссийскихинестационарнымтечениямработымеждународныхсеминарахконференциячтения"(Санкт-Петербург,международнымдиссертационнойучастиемпо2015);по(Новосибирск,механикеXXIVXIи"СедьмыеВсероссийскийструйным,2015);былиотрывнымиМеждународнаяконференция Неравновесные процессы в соплах и струях, NPNJ’2016(Алушта, 2016); 30th International Symposium on Rarefied Gas Dynamics(Victoria, Canada, 2016); Aerospace Thematic Workshops on Fundamentalsof Aerodynamic Flow and Combustion Control by Plasmas (Pushkin, SaintPetersburg, Russia, 2017); 7th European Conference for Aeronautics and5SpaceSciences,EUCASS2017(Milan,Italy,2017);IIIВсероссийскийнаучный форум "Наука будущего - наука молодых" (Нижний Новгород,2017); Международная конференция по механике "Восьмые Поляховскиечтения" (Санкт-Петербург, 2018).

Результаты также докладывались нанаучных семинарах кафедры гидроаэромеханики Санкт-Петербургскогогосударственного университета.Публикации.Основныерезультатыдиссертацииопубликованывработах [1]-[12] (см. Приложение), из них 4 в журналах, входящих вперечень рецензируемых научных изданий, рекомендованных ВАК.В совместных работах Е.В. Кустовой принадлежат идеи исследований,постановка задачи, развитие методов кинетической теории и обсуждениерезультатов;ЧепменаИ.З.Е.А.дляНагнибедапроводиламноготемпературногоШарафутдиновмноготемпературномпроводилиобобщениеметодаприближения;расчетыприближениях;теченийГ.П.О.В.вЭнскога-КуноваипоуровневомиОблапенкопринадлежитобобщение модели Ландау-Теллера для расчета скорости колебательнойрелаксации.В[10]соавторампринадлежитразработкаразличныхмодулей программного комплекса и создание базы данных свойств частиц.Автору диссертации принадлежит разработка и верификация моделейпоуровневых коэффициентов скорости диссоциации и обменных реакций,программная реализация моделей, анализ результатов.Работа выполнена при финансовой поддержке грантов РНФ № 15-1930016, РФФИ № 15-01-02373, № 18-01-00493, НИР СПбГУ № 6.37.206.2016,КНВШ Правительства Санкт-Петербурга (ПСП 16538, 2016).