Иванов Б.Н. - Мир физической гидродинамики. От проблем турбулентности до физики космоса (1107606), страница 20
Текст из файла (страница 20)
10.2. Газовый поток и горение Простейшей химической реакцией горения, и в то же время наиболее приемлемой со многих точек зрения, является реакция между молекулярными водородом и кислородом. В результате этой реакции образуются водяные пары, а количество выделяемой энергии является одним из наибольших в ряду химических реакций горения.
Тепловой эффект реакции горения водород — кислород в камерах сгорания и каналах ракетных двигателей (РД) зависит от параметров газового потока. Вначале обратимся к рассмотрению процессов горения с физико-химической точки зрения. Рассмотрим газовую смесь, компоненты которой могут вступить в химическую реакцию. Пусть давление и температура смеси близки к нормальным. Тогда в 1 см! смеси находится 2,7 1Ом молекул. В течение 1 секунаы среднее число столкновении каждой из молекул с другими порядка !0~ (оценку см.
в 0 5.!). Какая доля из этих столкновении может привести к реакции? Оказывается весьма и весьма малая. Чтобы молекула вступила, например, в соединение с другой, она должна быть, как говорят химики, активирована. На физическом языке это означает, что молекула находится в некотором возбужденном состоянии, которому соответствует относительно высокое значение энергии. Размеры молекулы в таком состоянии значительно возрастают и связь между ее атомами существенно ослаблена. При этом для осуществимости реакции столкновение, по крайней мере, должно быть тройным: одна возбужденная молекула, вторая молекула, обладающая значительной кинетической энергией и способная преодолеть активационный барьер, 88 Э 10. Годродинамоки и физико-комическое процессы и третья частица, берущая на себя избыток энергии, освобождающийся при образовании молекулы нового вещества. Доля быстрых молекул зависит от температуры, согласно распределению Максвелла, по зкспоненциальному закону.
Поэтому скорость химической реакции как функция температуры в основном определяется множителем -в„,ат (!О.!) где Ел — энергия активации, !в — постоянная Больцмана, равная 1,4 10 'в эрг/град. Величина Жл имеет характерное значение порядка 2 эВ или соответствие в градусах 23200 К'в!.
Для температур около 300 К, экспонента примет значение е вв, нли 1О зз. Полученная оценка означает, что за рассматриваемый промежуток времени, доля времени, приходящаяся на реакцию, составит 1/!Озз часть. Теперь вернемся к началу параграфа и оценим скорость химической реакции в газовой смеси двух веществ прн нормальных условиях. В 1 смз газовой смеси из полного числа столкновений молекул, эффективными в смысле реакции будут только 2,7 1О 10 10 =2,7 !О столкновений в секунду, или 3 столкновения в сутки. Если температуру смеси повысить до 1800 К, то экспонента в (1О.!) увеличится до 10 ~Л, а молекула химически прореагирует за время 10 4+ 1О зс.
Именно таковы скорости химических реакций в камерах и каналах РД. Мы видим, насколько существенно воздействие температуры на скорость реакций, давление среды также оказывает влияние на ход химических процессов. Но обе величины — температура Т и давление Р— принимают различные значения вдоль меняющихся сечений каналов РД, а значит, будут изменяться н скорости химических реакций по течению газовых струй. В результате, мы приходим к выводу, что для последовательного рассмотрения процессов горения необходимо привлекать не только законы химической кинетики, но и законы газовой динамики.
Время нахождения частиц среды в камерах и каналах РД порядка 1О зс. Эта оценка следует из простейших геометрических соображений и средней скорости газовой среды. Времена химических процессов, как уже отмечалось, порядка 10 4 —: 1О ' с. Отсюда вывод: среда в целом является неравновесной, однако каждая малая локальная область ее будет характеризоваться своими значениями Р, Т н равновесным химическим составом (см. э" 1). Рассмотрим жидкое ракетное топливо водород-кислород. В результате реакции горения 2Нз + От -+ 2НтО + энергия (10.2) н! ~эв Ьюо и в э 10. Гидрадикамика и физика-химические процессы 89 образуются пары воды. Если бы температуры в камере сгорания жидкостных реактивных двигателей (ЖРД) были ниже чем 2000 С, то указанной реакцией практически исчерпывались бы все химические процессы.
Однако в камере сгорания Т > 4000 К и давление Р = 100 атм. В этих условиях становится существенной также обратная реакция диссоциацин 2НзО + энергия — 2Нз + Ом причем раскаленный пар воды диссоциирует (при указанных значениях Р и Т) на 50%. В результате общее тепловыделение снижается. Снизится и температура в камере сгорания, она установится вблизи значения Т ж 3800 К, а степень диссоциации составит примерно 30%.
На выходе из сопла, где Р ! атм, температура газовой смеси будет около 2300 К, а диссоциация составляет 5%. Другими словами, в процессе расширения газовой смеси в сопле происходила реакция рекомбинации (10.2) и поглощенное тепло частично возвращается в поток. 10.3. Газовый поток как активная лазериая среда Неравновесные состояния молекулярных газов, способные проявить себя как активная лазерная среда, могут быть созлангя путем резкого охлаждения первоначально нагретого газа, например при быстром расширении через сверхзвуковое сопло. Рассмотрим газовую смесь СОз — Хз — НзО. В форкамере газодинамического лазера (ГДЛ) при температурах Тд 1200 + 1800 К и давлениях Рд в 20 —: 40 атм у трех- и двухатомных молекул этой газовой смеси возбуждены колебательные и вращательные уровни энергии. Причем последние практически термализованы вместе с поступательными степенями свободы молекулярного хаотического движения.
Для генерации лазерного излучения существенны колебательные уровни. Населенность энергетических колебательных уровней в молекулах СОН 1чз и НзО в указанных условиях обычная — больцмановская. Для анализа вопроса об эволюции этой населенности при течении газовой смеси в каналах ГДЛ, необходимо остановиться на колебательных спектрах самих молекул СОз и Хз. Молекула СОз является линейной трехатомной (О=С=О), у которой имеются три моды колебательных движений (три ветви колебаний): 1) смешения обоих ядер кислорода относительно ядра углерода во взаимно противоположных направлениях, 2) смещения ядер кислорода в одном и том же направлении, 3) деформационные колебания молекулы, связанные с ее отклонениями от линейной конфигурации. У двухатомной молекулы Хз существует лишь одна мода колебаний.
Энергия указанных колебаний квантована. Фактически при работе лазера на смеси СОз — Хз участвуют лишь нижние возбужденные уровни колебательного спектра энергии. Вынужденное излучение формируется на молекулах СОз при переходах между второй и первой ветвями колебаний. Более точно, между пер- 90 э 10.
Гидродинамике и физико-кимические процессы выми возбужденными уровнями колебаний этих ветвей. При этом длина волны генерируемого излучения !О,б мкм; это инфракрасное излучение. Спрашивается, какова роль молекул Дгз, которые практически непосредственно не участвуют в генерации вынужденного излучения? Дело в том, что первый возбужденный колебательный уровень молекулы дг, очень близок по значению энергии к первому возбужденному колебательному уровню 2-й ветви колебаний молекулы СОз. Вследствие такого резонанса, в газовой смеси очень интенсивно идет процесс Х,-ьСОз- СО*,+Хм (10.3) где символом ««» обозначены возбужденные молекулы.
Процесс столкновения (10.3) является дополнительным источником «накачки» энергией колебательных уровней СО». Пока газовая смесь СОз — !«!» неподвижна и находится в форкамере ГДЛ при высоких давлении и температуре, прямой процесс (10.3) н соответствующий обратный процесс СО', +?1, — Х*, + СО, находятся в динамическом равновесии. Но при адиабатическом расширении в сопле и очень быстром явлении температуры (до 10е град/с), течение оказывается неравновесным, и в газе существенно превалирует реакция (! О. 3). При этом причиной является долгоживушее колебательное состояние возбужденных молекул 1Ч~.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
