Автореферат (1150000), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Полный поток тепла ведет себянемонотонно, так как основной вклад в полный поток тепла в зависимостиот x вносят различные процессы. Показано, что для более высоких чиселМаха кинетические и диссипативные процессы происходят эффективнее.Исследовано влияние различных процессов на перенос тепла за ударнойволной (рис.
3). Подробно рассмотрен случай равновесного набегающего14q,2/q,02/0-50-100-2000-150M =10M =1000-200-4000M =15M =1500M =18M =18000,00,20,40,00,60,2x,x,(b)(a)Рис. 2. Полный поток тепла за ударной волной как функция от x. T0 = Tv . (a) - N2 /N , (b) - O2 /O.q,/2q,HC/2HCqq20000DVEq4000DVEqTDTDqqMDMDq2000q1000000-2000-10000-4000-200000,00,1x,0,20,00,3x,0,1(b)(a)Рис. 3. Вклад различных процессов в поток тепла за фронтом ударной волны как функция от x.T0 = Tv .
M0 = 18. (a) - N2 /N , (b) - O2 /O.потока при M0 = 18. Видно, что термодиффузия практически не влияетна поток тепла за фронтом ударной волны. В смеси N2 /N (рис. 3(a)) потокФурье и поток за счет диффузии колебательной энергии вносят вклад одного порядка сразу за фронтом ударной волны. Их абсолютные значениявелики при x < 0.1 см. Знаки этих потоков противоположны, поэтому происходит компенсация, и значение полного потока оказывается значительноменьше. Вклад потока за счет диффузии колебательной энергии оказывается больше, что ведет к тому, что знак полного потока тепла противоположен знаку потока Фурье. Это объясняет, почему полный поток тепла– отрицательный.
Влияние массовой диффузии становится значительнымлишь при x > 0.05 см из-за задержки реакции диссоциации. Это приводитк повышению полного потока тепла при x > 0.05 см. Поэтому при M0 = 18поведение полного потока тепла является немонотонным. При более низких числах Маха диссоциация молекул азота недостаточна, чтобы оказать15эффект на полный поток тепла. В смеси O2 /O все процессы протекаютбыстрее и градиенты газодинамических параметров больше по сравнениюсо случаем N2 /N , что приводит к большим значениям потока; диссоциацияв смеси O2 /O начинается раньше и протекает активнее, поэтому влияниемассовой диффузии на полный поток тепла сильнее, чем в смеси N2 /N .Далее рассмотрен случай неравновесного набегающего потока, когда колебательная температура Tv = 8000 K.
В этом случае (рис. 4) в смеси N2 /Nполный поток тепла меняет свой знак и становится положительным. Длясмеси O2 /O поток не меняет знак, но его абсолютное значение становится на порядок больше по сравнению со случаем равновесного набегающегопотока. Чтобы понять поведение полного потока тепла, проанализируемвклад теплопроводности, термодиффузии, массовой диффузии и диффузии за счет переноса колебательной энергии в q. Для смеси азота (рис. 5(a))влияние массовой диффузии на полный поток тепла мало, а знак q определяется q DV E .
В случае сильной неравновесности (T0 = 271 K, Tv = 8000 K),полный тепловой поток, поток Фурье и поток за счет диффузии колебательной энергии меняют знаки, так как процессы возбуждения заменяютсядеактивацией, а температура газа возрастает с ростом x. В случае кислорода (рис. 5(b)) начальная колебательная неравновесность ускоряет диссоциацию, поэтому основной вклад в полный поток тепла вносит массоваядиффузия.
Несмотря на то, что поток Фурье и поток за счет диффузииколебательной энергии меняют знаки, знак полного потока тепла в случаесильной неравновесности определяется q M D , абсолютное значение которого значительно выше, чем значения q HC и q DV E . Поэтому полный тепловойпоток в смеси O2 /O остается отрицательным.q,/20-20-40-60-80-100T =T =271-120vT =8000v0T =8000v-1400,00,2x,(b)(a)Рис. 4. Полный поток тепла смеси за ударной волной как функция от x. M0 = 10.
(a) - N2 /N , (b) O2 /O.16q,2/qqq60q40qqHC, T =T =271vq,02/qDVE, T =T =271vq0MD, T =T =271vq0500HC, T =8000qvDVEq, T =8000vMDq, T =8000v20HC, T =T =271v0DVE, T =T =271v0MD, T =T =271v0HC, T =8000vDVE, T =8000vMD, T =8000v00-20-500-40-1000-600,00,20,40,00,60,1x,x,(b)(a)Рис. 5. Вклад различных процессов в поток тепла за фронтом ударной волны как функция от x.M0 = 10. (a) - N2 /N , (b) - O2 /O.q,/2q,0/20-500-1000-5000-1500-2000STSSTS-100001-T0,00,1x,0,21-T0,30,0x,0,1(b)(a)Рис.
6. Полный поток тепла за ударной волной как функция от x. M0 = 18. (a) - N2 /N , (b) - O2 /O.Проведено сравнение результатов, полученных при использовании поуровневого и однотемпературного подходов (рис. 6). Показано, что в однотемпературном приближении сразу за фронтом ударной волны наблюдается существенное завышение числовых плотностей атомов, так как нетзадержки реакции диссоциации, что ведет к переоценке вклада массовойдиффузии и, как следствие, завышенным значениям полного потока тепла.В смеси атомов и молекул кислорода быстрая колебательная релаксацияи диссоциация ведут к резкому изменению газодинамических параметроввблизи фронта ударной волны и, следовательно, к большим значениям теплового потока, по сравнению с азотом.Заключение содержит список основных результатов, полученных вработе.1.
В диссертации представлены результаты расчета коэффициентов пе172.3.4.5.6.реноса на основе метода Энскога-Чепмена для реагирующей смесигазов с быстрыми и медленными процессами в однотемпературном ипоуровневом приближениях.На основе однотемпературного приближения метода ЭнскогаЧепмена рассчитан коэффициент теплопроводности молекул N2 , O2 ,N O с возбужденными колебательными, вращательными и электронными степенями свободы и электронно возбужденных атомов N , O.Предложена модификация поправки Эйкена для коэффициента теплопроводности в температурном диапазоне 200–20000 K, учитывающая электронное возбуждение молекул и атомов.
Проведена оценкавлияния размера возбужденных атомов на интегралы столкновений.Установлены пределы применимости приближенных моделей расчетакоэффициентов теплопроводности при учете электронного возбуждения.Изучено влияние химического состава, температуры и учета электронного возбуждения атомов и молекул на релаксационное давлениев смеси N2 /N при температурах 3000-10000 K; выявлена зависимостьвеличины релаксационного давления от типа реакции и степени отклонения от равновесия, оценен вклад релаксационного давления вдиагональные члены тензора напряжений.Диффузия и поток тепла при течении бинарных смесей N2 /N и O2 /Oза фронтом ударной волны исследованы для различных чисел Махав набегающем потоке (M0 = 10; 15; 18) с использованием различныхкинетических моделей.
Проведено сравнение результатов, полученных при использовании поуровневого и однотемпературного подходов. Показано, что в однотемпературном приближении сразу за фронтом ударной волны наблюдается существенное завышение числовыхплотностей атомов, что ведет к переоценке вклада массовой диффузии и, как следствие, завышенным значениям полного потока тепла.Изучено влияние поуровневой кинетики на диффузию и перенос тепла за фронтом ударной волны. Проанализирован вклад теплопроводности, термодиффузии, массовой диффузии и диффузии за счетпереноса колебательной энергии в полный поток тепла: обнаружены компенсационные эффекты различных диффузионных процессов.Показано, что для более высоких чисел Маха кинетические и диссипативные процессы происходят эффективнее.Показано, что в случае неравновесного набегающего потока при M0 =10 в смеси N2 /N с начальным возбуждением колебательных степеней свободы тепловой поток меняет знак; в смеси O2 /O происходитзаметный рост теплового потока.18Работы автора по теме диссертацииПубликации в журналах, рекомендованных ВАК:[1] Кустова Е.В., Мехоношина М.А.
Релаксационное давление в смесиN2 /N с учетом неравновесной реакции диссоциации // ВЕСТНИКСАНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА. СЕРИЯ 1: МАТЕМАТИКА, МЕХАНИКА, АСТРОНОМИЯ, 2012. № 1. С. 86-95[2] Kustova E.V., Makarkin D.V, Mekhonoshina M.A. Normal Mean Stressin Non-Equilibrium Viscous N2/N Flows with Dissociation and ElectronicExcitation // AIP Conference Proceedings, 2012. V.
1501, P. 1086-1093.[3] Istomin V.A., Kustova E.V., Mekhonoshina M.A. Eucken correction inhigh-temperature gases with electronic excitation // Journal of ChemicalPhysics, 2014. V. 140, № 18. P. 184311.[4] Kunova O.V., Kustova E.V., Mekhonoshina M.A., Nagnibeda E.A. Theinfluence of state-to-state kinetics on diffusion and heat transfer behindshock waves // AIP Conference Proceedings, 2014. V. 1628, P. 1202-1209.[5] Istomin V.A., Kustova E.V., Mekhonoshina M.A.
Validity of Euckenformula and Stokes’ viscosity relation in high-temperature electronicallyexcited gases // AIP Conference Proceedings, 2014. V. 1628, P. 12291236.[6] Josyula E., Burt J., Kustova E., Vedula P., Mekhonoshina M. State-toState Kinetic Modeling of Dissociating and Radiating Hypersonic Flows// AIAA Aerospace Sciences Meeting, 2015. AIAA 2015-0475.Другие публикации:[7] Кунова О.В., Мехоношина М.А.
Влияние неравновесной кинетики на теплоперенос и диффузию за фронтом ударной волны //ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА В ГАЗОВОЙ ДИНАМИКЕ,2014. T. 15. http://chemphys.edu.ru/issues/2014-15-1/articles/106/[8] Kustova E., Krylov A., Lashkov V., Mekhonoshina M. ExperimentalFacilities and Modelling for Rarefied Aerodynamics // RTO-EN-AVT-194- Models and Computational Methods for Rarefied Flows. — von KarmanInstitute, Rhode St. Gense, Belgium: NATO Science and TechnologyOrganization, 2011. 624, 20 стр.[9] Kustova E.V., Makarkin D.V, Mekhonoshina M.A. Normal Mean Stressin Non-equilibrium Viscous N2/N Flows with Dissociation and ElectronicExcitation // 28th Int. Symp. on Rarefied Gas Dynamics, Book ofAbstract, Zaragoza, Spain, July 9-13, 2012 — Zaragoza, 2012. P.
134-13519[10] Мехоношина М.А. Влияние неравновесной реакции диссоциации нанормальные напряжение в смеси N2-N с электронным возбуждением // XXIII семинар по струйным, отрывным и нестационарным течениям: сборник трудов / под ред. Г.В. Кузнецова и др.; Томскийполитехнический университет, г.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
