Диссертация (1149180), страница 2
Текст из файла (страница 2)
В работе[36] при переходе от поуровневого описания к многотемпературному для каждой группы колебательных уровней каждой молекулы вводится своя колебательная температура TVi , которая соответствует колебательной энергии наэтих уровнях. Несмотря на ряд новых интересных результатов, полученныхв названных выше работах, до настоящего времени недостаточно изученнымостается влияние колебательных распределений, а также моделей переходовэнергии и реакций на параметры течения пятикомпонентного воздуха. Ранеене рассматривалось влияние колебательных распределений на двухтемпературные коэффициенты скорости обменных химических реакций, играющихважную роль в пятикомпонентном воздухе, этот эффект изучен только дляреакций диссоциации в бинарных смесях [22].
Осредненные коэффициенты6обменных реакций в воздухе недавно рассмотрены в [48, 49] на основе поуровневых распределений.В диссертации исследуются неравновесные течения реагирующей пятикомпонентной воздушной смеси N2 , O2 , N O , N , O в рамках четырехтемпературного, трехтемпературного и однотемпературного описания. При этомзаселенности колебательных уровней молекул воздуха описываются двухтемпературными распределениями Тринора (с учетом ангармоничности молекулярных колебаний), распределениями Больцмана, зависящими от колебательных температур (для гармонических осцилляторов) и однотемпературными термически равновесными распределениями. В условиях сильного колебательного возбуждения реагирующей смеси используется составное распределение, предложенное в работах Б.Ф.
Гордиеца [7] и в работах Е.В. Кустовой, Е.А. Нагнибеда [50, 51, 22]. Сравнение результатов, полученных вразных приближениях, показало влияние колебательных распределений нагазодинамические параметры в релаксационной зоне за ударной волной приразличных условиях в набегающем потоке.При численном моделировании течений воздуха за ударными волнамиучитывались переходы колебательной энергии при столкновениях молекулс молекулами и атомами, диссоциация молекул, рекомбинация атомов и обменные реакции Зельдовича, приводящие к образованию молекул N O .
Врасчетах использованы имеющиеся в литературе модели зависящих от колебательных уровней коэффициентов скорости энергобменов и реакций в рассматриваемой смеси. Детально изучены двухтемпературные коэффициентыскорости диссоциации и реакций обмена, необходимые для расчетов многотемпературных течений воздуха. Показано влияние моделей реакций на параметры ударно нагретого воздуха.
Подход, предлагаемый в диссертации, сочитает в себе упрощения многотемпературного описания при выводе уравненийнеравновесной кинетики и строгость поуровневого подхода при вычислениикоэффициентов скорости неравновесных процессов, входящих в эти уравнений.2. Общая характеристика и структура работыАктуальность темы. При численном моделировании потоков воздуха заударными волнами у поверхностей высокоскоростных летательных аппара-7тов, в соплах и струях важен учет неравновесного возбуждения внутреннихстепеней свободы молекул и химических реакций.
Наиболее строгий подходоснован на совместном решении уравнений газовой динамики и уравненийдля заселенностей уровней внутренних энергий молекул смеси. В этом направлении в последние годы достигнуты большие успехи (cм. ссылки в [48]).Однако применение поуровневого описания в расчетах течений многокомпонентных смесей вызывает трудности, связанные, во-первых, с необходимостью интегрирования большого числа уравнений для заселенностей энергетических уровней молекул смеси в каждом конкретном случае и, во-вторых, снедостатком данных о коэффициентах скорости химических реакций и энергетических переходов, зависящих от внутренних энергий молекул разных сортов. Поэтому разработка эффективного упрощенного подхода для описаниятечений высокотемпературного воздуха, учитывающего основные неравновесные эффекты и в то же время пригодного для выполнения серийных расчетов при решении практических задач, является актуальной современнойпроблемой.
Переход от поуровневого к многотемпературному описанию течений ударно нагретого воздуха [43, 22, 36] позволяет сократить число неизвестных параметров течения и соответственно число решаемых уравнений.При этом важен выбор многотемпературных колебательных распределений,обеспечивающий наилучшую точность упрощенных моделей в разных условиях неравновесности. До настоящего времени не изученным оставалось влияние неравновесных колебательных распределений на параметры многокомпонентного воздуха в релаксационной зоне за ударной волной и не оценивались упрощения, принимаемые при выводе уравнений многотемпературнойколебательной и химической кинетики.
В связи с этим актуальной проблемой является создание обоснованных моделей многотемпературной кинетикив потоках воздуха и их применение в расчетах течений за ударными волнамипри разных условиях в набегающем потоке.Цель работы:1. Разработка квазистационарных моделей, описывающих течения воздуха при высоких температурах с учетом сильной химической и колебательной неравновесности.2. Исследование коэффициентов скорости неравновесных химических реакций в пятикомпонентном воздухе на основе двухтемпературных и од-8нотемпературных колебательных распределений, справедливых в разных условиях неравновесности.3.
Применение разработанных моделей для решения задачи о течении пятикомпонентной воздушной смеси N2 /O2/N O/N/O за сильными ударными волнами.4. Оценка влияния колебательной неравновесности, выбора моделей энергообменов и химических реакций на колебательные распределения и газодинамические параметры за фронтом ударной волны на основе сравнения результатов, полученных при трехтемпературном и однотемпературном описании.Достоверность обеспечивается сравнением результатов диссертации сданными, полученными при использовании наиболее строгого подхода, учитывающего детальную поуровневую колебательную и химическую кинетику. Получено удовлетворительное согласие результатов, найденных в рамкахпредложенного в диссертации трехтемпературного подхода и поуровневогоописания.
Использованное в диссертации многотемпературное приближениеимеет строгое обоснование в кинетической теории газов.Достоверность результатов подтверждается также использованием врасчетах моделей переходов энергии и реакций, которые основаны на аппроксимациях экспериментальных данных и на строгих траекторных расчетах.Колебательные спектры молекул воздуха рассчитывались на основе строгоймодели с учетом ангармоничности колебаний. На основе выполнения законов сохранения массы, импульса и полной энергии проверялась погрешностьчисленного решения уравнений, которая не превышала 0.05%.
Также достоверность результатов подтверждается их сравнением с экспериментальнымиданными [45].Научная новизна определяется, во-первых, использованием многотемпературного подхода, учитывающего сильные и умеренные отклонения отравновесия, при численном моделировании течений пятикомпонентного воздуха за ударными волнами. Предложенный подход сочетает упрощения многотемпературных моделей при выводе уравнений для макропараметров истрогость поуровневого описания при вычислении осредненных коэффициентов скорости реакций. Во-вторых, новыми являются оценки влияния ко-9лебательных распределений на на осредненные коэффициенты скорости обменных реакций при разных отклонениях от равновесия, а также введениефакторов неравновесности для обменных реакций и их расчет. В-третьих,новыми являются оценки влияния двухтемпературных колебательных распределений и моделей переходов энергии и реакций на эволюцию макропараметров за фронтом ударной волны в воздухе.
В-четвертых, впервые показано сильное влияние колебательной неравновесности в набегающем потоке намакропараметры воздуха за фронтом ударной волны при трехтемпературномописании. В-пятых, новым является сравнение колебательной температурымолекул кислорода, найденной в расчетах, с имеющимися экспериментальными данными.Научная и практическая ценность диссертации. Разработан многотемпературный подход для описания течений воздуха за ударными волнамипри разных отклонениях от равновесия в диапазоне температур от 2000 К до14000 К: представлены замкнутые системы уравнений для макропараметров,детально изучены двухтемпературные коэффициенты скорости диссоциациии обменных реакций Зельдовича, показано влияние колебательных распределений на эти коэффициенты.Трехтемпературная модель использована для численного решения задачи о течении пятикомпонентного воздуха за ударными волнами, возникающими в равновесном и колебательно возбужденном газе.
Разработана численная схема и программный код для расчета параметров ударно нагретоговоздуха в трехтемпературном приближении. Результаты расчетов показаливлияние колебательных распределений, моделей энергообменов и химическихреакций, условий в набегающем потоке на изменение температуры, скоростипотока, состава воздуха и колебательных температур молекул азота и кислорода в релаксационной зоне за ударным фронтом. Представлено сравнениеполученных результатов с данными экспериментов на ударных трубах. Такжепоказано сравнение с результатами, найденными при поуровневом описаниинеравновесной кинетики и в однотемпературном термически равновесном газе.
Даны рекомендации по выбору моделей переходов колебательной энергии,химических реакций и колебательных распределений при моделировании течений воздуха за ударными волнами.Результаты проведенного исследования могут быть использованы при10моделировании течений не только ударно нагретого воздуха, но и потоков всоплах и струях, а также при решении задач лазерной и химической физики.Положения, выносимые на защиту:1.
Четырехтемпературная и трехтемпературные модели течений ударнонагретого воздуха, учитывающие неравновесные реакции диссоциации,рекомбинации, обмена атомами и переходы колебательной энергии вразных условиях неравновесности.2. Двухтемпературная модель обменных реакций Зельдовича, основаннаяна осреднении уровневых коэффициентов скорости реакций по неравновесным колебательным распределениям. Результаты расчета факторовнеравновесности и двухтемпературных коэффициентов скорости обменных реакций на основе разработанной модели с учетом разных колебательных распределений и их анализ.3. Результаты применения трехтемпературных моделей, учитывающихсильные и умеренные отклонения от равновесия, при численном моделировании течений воздуха за ударными волнами при M = 10, 13, 16 .Оценки влияния колебательных распределений, моделей энергообменови химических реакций в пятикомпонентном воздухе на изменение скорости, температуры и состава воздуха за фронтом ударной волны.4.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
