Диссертация (1149180), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Колебательно возбужденные молекулы могут возникать перед ударным фронтом,например, в результате разряда или при выходе потока из сопла гиперзвуковой аэродинамической трубы. Такие условия также необходамо рассматривать при решении задач управления химическими реакциями в релаксационной зоне за фронтом ударной волны путем создания неравновесности внабегающем потоке. Эффекты колебательного возбуждения молекул набегающего потока обсуждались ранее в [23] при описании колебательной релаксации в однокомпонентном газе, в [8] при изучении горения смеси H2 / O276за детонационной волной, в [48, 49] при численном моделировании теченийвоздуха за ударными волнами в поуровневом приближении.В настоящей работе влияние неравновесного возбуждения молекул набегающего потока на параметры воздуха за ударной волной исследуется наоснове трехтемпературного описания.Системауравнений(3.1)–(3.9)длямакропараметровnN2 (x) , nO2 (x) , nN O (x) , nN (x) , nO (x) , T (x) , v(x) , T1N2 (x) и T1O2 (x)решалась при условиях как равновесного набегающего потока, так инеравновесных колебательных распределений молекул азота и кислородаперед ударным фронтом.
При этом для коэффициентов скорости обменныххимических реакций использовалась модель Варнатца [69], а коэффициентыскорости V T переходов и V V2c,d обменов колебательными энергиямивычислялись на основе SSH теории [65].Ниже обсуждаются результаты, полученные при M (0) = 10 , p(0) =100 Па, T (0) = 271 К при четырех условиях для колебательных темпераN (0)O (0)тур молекул набегающего потока: (1) T1 2 = 8000 K, T1 2 = 4000 К, (2)N (0)O (0)T1 2 = 4000 K, T1 2 = 8000 К – сильное колебательное возбуждение; (3)N (0)O (0)T1 2 = 2400 K, T1 2 = 1150 K – умеренное колебательное возбуждение; (4)N (0)O (0)T1 2 = T1 2 = T (0) – равновесный набегающий поток.Предполагается, что внутри фронта ударной волны происходят обмены колебательной энергией при столкновении молекул одного сорта V V1c,c , аV T переходы колебательной энергии в поступательную, V V2c,d обмены колебательной энергией при столкновении молекул разных сортов и химическиереакции считаются замороженными.
Учитывая, что рассматриваются условия сильного возбуждения при колебательных температурах, значительнопревосходящих температуру газа, заселенности колебательных уровней nN2i ,nO2 i в набегающем потоке и за фронтом волны описывались составными распределениями, рассмотренными в гл. 1.Результаты расчета макропараметров за фронтом ударной волны приуказанных четырех условиях в набегающем потоке представлены на рисунках3.24 – 3.27. На рисунке 3.24 показано изменение температуры газа в релаксационной зоне в зависимости от расстояния x за фронтом ударной волны вчетырех случаях.
Результаты, так же как и в работе [49], показали, что в случае равновесного набегающего потока (кривая 4) и умеренного колебатель-77ного возбуждения молекул перед ударным фронтом (кривая 3) температурауменьшается за счет переходов поступательной энергии в колебательную ихимических реакций. Значительное возбуждение молекул набегающего потока приводит к существенному изменению температуры за фронтом ударной волны (кривые 1 и 2).
Суммарная колебательная энергия молекул N2и O2 непосредственно за фронтом ударной волны оказывается больше поступательной. Переход колебательной энергии в поступательную приводитк немонотонному изменению температуры в релаксационной зоне, сначалаона возрастает вблизи фронта, а с уменьшением колебательной энергии и спротеканием химических реакций температура газа уменьшается. Температура газа уменьшается в релаксационной зоне значительно медленнее в случае колебательного возбуждения молекул в набегающем потоке, чем в случаеравновесного набегающего потока.700065001T [K]60002550035000450040004350000.511.522.53x [cm]3.5N (0)44.55O (0)Рис.
3.24. Температура T в зависимости от x . (1) – T1 2 = 8000 K, T1 2 = 4000 К,N (0)O (0)N (0)O (0)(2) – T1 2= 4000 K, T1 2= 8000 К, (3) – T1 2= 2400 K, T1 2= 1150 K, (4) –N2 (0)O2 (0)T1= T1= T (0) .На рисунке 3.25a,b представлены колебательные температуры в зависимости от x . При T1c > T колебательная температура уменьшается с отдалением от фронта ударной волны. Это объясняется тем, что из–за сильного колебательного возбуждения молекул набегающего потока колебательная энергия сразу за ударным фронтом оказывается больше поступательнойэнергии, и в релаксационной зоне колебательная энергия переходит в поступательную.
В случае равновесного набегающего потока и слабого отклонения78от равновесия с ростом x колебательная температура сначала возрастает засчет перехода поступательной энергии в колебательную, достигает максимума и потом убывает за счет деактивации и химических реакций.a15000b8000260001TO2 [K]1TN2 [K]1100003213400045000200040000.51x [cm]1.5200.51x [cm]N (0)1.52O (0)Рис.
3.25. Зависимость T1N2 (a) и T1O2 (b) от x . (1) – T1 2 = 8000 K, T1 2 = 4000 К,N (0)O (0)N (0)O (0)(2) – T1 2= 4000 K, T1 2= 8000 К, (3) – T1 2= 2400 K, T1 2= 1150 K, (4) –N2 (0)O2 (0)(0)T1= T1=T .a0.8b0.25440.2220.76nO /n232nN /n0.7830.150.74110.10.720.70.0500.5x [cm]100.5x [cm]N (0)1O (0)Рис.
3.26. Зависимость nN2 /n (a) и nO2 /n (b) от x . (1) – T1 2 = 8000 K, T1 2 = 4000 К,N (0)O (0)N (0)O (0)(2) – T1 2= 4000 K, T1 2= 8000 К, (3) – T1 2= 2400 K, T1 2= 1150 K, (4) –N2 (0)O2 (0)(0)T1= T1=T .На рисунках 3.26 – 3.28 представлены безразмерные плотности молекули атомов воздуха. В случае сильного колебательного возбуждения молекулнабегающего потока отсутствует задержка на колебательное возбуждение молекул. Поэтому процесс диссоциации молекул протекает активнее. Так как в790.0252nNO/n0.02310.0150.0140.005000.511.522.533.5N (0)44.55O (0)N (0)Рис.
3.27. Зависимость nN O /n от x . (1) – T1 2 = 8000 K, T1 2 = 4000 К, (2) – T1 2 =O (0)N (0)O (0)N (0)O (0)4000 K, T1 2 = 8000 К, (3) – T1 2 = 2400 K, T1 2 = 1150 K, (4) – T1 2 = T1 2 = T (0) .a0.05b0.2510.040.20.030.153nO/n1nN/n20.020.13240.010.0504000.10.20.30.40.500.5N (0)1x [cm]1.52O (0)Рис. 3.28. Зависимость nN /n (a) и nO /n (b) от x . (1) – T1 2 = 8000 K, T1 2 = 4000 К,N (0)O (0)N (0)O (0)(2) – T1 2= 4000 K, T1 2= 8000 К, (3) – T1 2= 2400 K, T1 2= 1150 K, (4) –N2 (0)O2 (0)(0)T1= T1=T .случае (1), помимо наиболее высоких колебательных температур, температура газа остается выше, чем в других случаях, то и реакции распада молекулазота и кислорода, протекают активнее (рис.
3.26a,b). Видно немонотонноеизменение числовых плотностей молекул азота в случае сильного колебательного возбуждения (случай 1 и 2). Такое поведение nN2 /n связано с тем, чтоколебательная температура T1N2 больше температуры газа T из–за сильногоколебательного возбуждения в набегающем потоке. При таких температурах имеет место немонотонное изменение коэффициентов скорости прямыхобменных реакций (рис. 2.7), и активнее оказываются обратные обменные80реакции, приводящие к образованию молекул N2 . Быстрый распад молекулприводит к более быстрому образованию молекул окиси азота (рис. 3.27), аатомов N и O в этом случае образуется значительно больше (рис.
3.28).3.3. Течения бинарных смесейДля исследования роли обменных реакций в диссертации рассмотреназадача о структуре релаксационной зоны за ударной волной не только в потоках пятикомпонентного воздуха, но и в бинарных смесях N2 /N и O2 /O .Расчеты проведены при начальных условиях: p(0) = 100 Па, T (0) = 271 К,(0)(0)M (0) = 16 , nN2 = n(0) , nO2 = n(0) . Сравнение результатов, полученных длявоздуха и бинарных смесей, представлены на рисунках 3.29 – 3.31.a14000N 2/N10000T [K]air80006000N 2/N TN21air TN218000OTN2, T 2 [K]1112000b10000air TO216000O 2/O TO2140002000O 2/O4000000.51x [cm]1.5200.10.20.3x [cm]0.4Рис. 3.29. Зависимость температур воздуха T (a) и колебательных температур T1N2 , T1O2(b) от x в воздухе и бинарных смесях.На рисунке 3.29a,b показано изменение температур T , T1N2 , T1O2 врелаксационной зоне.
В смеси O2 /O температура газа падает значительнобыстрее, чем в воздухе, и раньше выходит на равновесное значение, в товремя как T в смеси N2 /N медленнее уменьшается в отличии от температуры в пятикомпонентной смеси газа. Таким образом, значения температурывоздуха находятся между значениями температур, найденных для бинарныхсмесей. Так же ведут себя и колебательные температуры (рис.3.29b). Приэтом в смеси O2 /O максимум колебательной температуры T1O2 достигается81a1b10.80.80.6O 2/O2nO /n0.92nN /nN 2/Nair0.70.40.60.20.5air0012300.2x [cm]0.40.6x [cm]Рис. 3.30. Зависимость nN2 /n (a) и nO2 /n (b) от x в воздухе и бинарных смесях.a0.3b0.8N 2/N0.250.6O 2/OairnO/nnN/n0.20.150.40.1air0.20.050000.51x [cm]1.5200.20.40.6x [cm]Рис.
3.31. Зависимость nN /n (a) и nO /n (b) от x в воздухе и бинарных смесях.раньше, чем в воздухе и в смеси N2 /N , а максимальное значение T1O2 оказывается меньше, чем в воздухе и в смеси N2 /N . Максимальное значениеколебательной температуры молекул азота T1N2 достигается позднее, чем ввоздухе и в смеси O2 /O . Это объясняется, во-первых, отсутствием обменныхреакций в бинарных смесях и, во-вторых, тем, что в смеси O2 /O происходитгораздо активнее диссоциация, приводящая к уменьшению температуры газаи колебательной температуры.На рисунках 3.30 и 3.31 представлены изменения nN2 /n , nO2 /n , nN /n ,nO /n в зависимости от удаления от фронта ударной волны.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
