Диссертация (1150001), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Учитываются все виды обменов внутренней энергией, обменныереакции и реакции диссоциации. Ионизация в данной работе не учитывается;предполагается учесть ионизацию в дальнейших исследованиях.2. Общая характеристика и структура работыАктуальность темы диссертации связана с необходимостью определения сопротивления и тепловой нагрузки на поверхности летательных аппаратов в сверх- и гиперзвуковых потоках, а также при входе спускаемыхаппаратов в атмосферы планет. Изучение процессов переноса в высокотемпературных газах требуется для создания эффективной тепловой защитыкосмических аппаратов; описания процессов в ударных трубах, в рабочей части гиперзвуковых аэродинамических установок; использования в плазменнохимических технологиях. Поскольку при высоких скоростях и температурах экспериментальное определение транспортных свойств газа реализоватьпрактически не удается, встает вопрос о корректном теоретическом моделировании диссипативных процессов в неравновесных условиях.
Применениедля этой цели хорошо апробированного аппарата кинетической теории представляется наиболее оптимальным. Кинетическая теория позволяет построить замкнутое описание течения и найти коэффициенты переноса при различных отклонениях от равновесия. Построение точных замкнутых моделейнеравновесных высокотемпературных течений газов с внутренними степенями свободы является одной из главных задач данной работы.Алгоритмы расчета коэффициентов переноса, построенные методамикинетической теории, являются наиболее корректными. Однако их применение на практике часто затруднено из-за серьезных вычислительных затрат, необходимых для решения линейных транспортных систем. В связи сэтим возникает необходимость разработки упрощенных моделей, имеющиххорошую точность и пригодных для инженерных приложений.
Именно та-8кой моделью является известная поправка Эйкена для расчета коэффициента теплопроводности газов с внутренними степенями свободы. Предложеннаяв 1913 году, она до сих пор широко используется для расчета коэффициентатеплопроводности при низких температурах. Обобщение модели Эйкена наслучай высокотемпературного газа с электронным возбуждением и проверкадостоверности построенного обобщения является актуальной задачей теориипроцессов переноса и имеет большую практическую значимость.Применение точных и приближенных моделей расчета коэффициентовпереноса для исследования особенностей тепломассопереноса за сильнымиударными волнами является важной фундаментальной задачей, посколькудает возможность понять, как влияют физико-химические процессы и неравновесные распределения молекул по внутренней энергии на диффузию и тепловые потоки в ударно-нагретом газе. Анализ вклада различных диссипативных процессов в перенос энергии позволит предсказывать тепловые потокии в других неравновесных ситуациях, если известны основные механизмырелаксации.Цель работы:1.
Изучение процессов переноса в неравновесной смеси газов с учетомвнутренних степеней свободы и химических реакций в однотемпературном и поуровневом приближениях.2. Исследование коэффициентов переноса на основе точного кинетического подхода. Модификация формулы Эйкена для коэффициента теплопроводности в газах с учетом электронного возбуждения атомов и молекул.3. Оценка влияния размера электронно возбужденных атомов на интегралы столкновений и процессы переноса. Установление пределов применимости приближенных моделей расчета коэффициентов теплопроводности при учете электронного возбуждения.4. Изучение переноса массы и энергии в неравновесных течениях за сильными ударными волнами. Сравнение результатов, полученных при поуровневом и однотемпературном описании течений воздуха за ударными волнами.
Оценка влияния неравновесности, химических реакций и9условий в набегающем потоке на потоки диффузии и поток тепла зафронтом ударной волны.Достоверность результатов обеспечена- применением строгих подходов кинетической теории газов, детальноразработанной в литературных источниках;- хорошим согласованием результатов расчета коэффициентов переносас экспериментальными данными, доступными для ограниченного диапазона условий;- использованием современных проверенных аппроксимаций интеграловстолкновений, применимость которых обоснована в широком диапазонетемператур.Научная новизна работы:- учтено электронное возбуждение атомов и молекул в однотемпературном приближении, что впервые позволило обобщить формулу Эйкенана случай высокотемпературного неравновесного газа;- проведены систематические расчеты коэффициентов теплопроводностикомпонентов воздуха N2 , O2 , N O , N , O в широком диапазоне температур (200–20000 K); на основании анализа вклада возбужденных состояний атомов в интегралы столкновений установлены пределы применимости приближенных моделей расчета коэффициентов переноса вгазе с электронным возбуждением;- впервые исследовано релаксационное давление в неравновесной смеси среакцией диссоциации и электронным возбуждением; оценен вклад релаксационного давления в нормальные напряжения; изучено влияниесостава смеси и температуры на диагональные члены тензора напряжений в вязком газе в неравновесных условиях;- сравнение тепловых потоков, рассчитанных с применением однотемпературного и поуровневого подходов, позволило выявить характерныеособенности процесса диффузии колебательной энергии и его вклад вперенос тепла за фронтом ударной волны;10- проведен систематический анализ вклада процессов теплопроводности,массовой диффузии, термодиффузии и диффузии колебательной энергии в перенос тепла и массы в ударно-нагретых смесях N2 /N и O2 /Oпри различных начальных условиях; объяснены причины различногокачественного поведения тепловых потоков в азоте и кислороде; обнаружен эффект компенсации тепловых потоков за счет различных диссипативных процессов;- впервые исследованы процессы переноса за ударной волной, распространяющейся в колебательно-возбужденном газе.Научная и практическая ценность диссертации состоит в следующем- разработаны алгоритмы расчета поуровневых и однотемпературных коэффициентов переноса;- оценка диаметров возбужденных атомов позволила установить пределы применимости моделей процессов переноса при учете электронноговозбуждения;- уточненная формула Эйкена для газов с электронным возбуждениемможет быть рекомендована для проведения инженерных расчетов коэффициента теплопроводности при высоких температурах;- полученные данные для потоков тепла за фронтом ударной волны могутбыть использованы для проектирования эффективной тепловой защиты обшивки сверх- и гиперзвуковых летательных аппаратов.Положения, выносимые на защиту:1.
Обобщенная формула Эйкена для расчета коэффициентов теплопроводности молекул с возбужденными вращательными, колебательнымии электронными степенями свободы и атомов с электронным возбуждением; оценка пределов применимости обобщенной поправки Эйкена наосновании анализа диаметров возбужденных частиц.2. Результаты расчета коэффициентов теплопроводности газов N2 , O2 ,N O , N , O с электронным возбуждением в диапазоне температур 200−20000 K.113. Результаты анализа вклада различных диссипативных процессов в тепловой поток за фронтом ударной волны в смесях N2 /N , O2 /O ; эффекткомпенсации потоков за счет теплопроводности, массовой диффузии идиффузии колебательной энергии ведет к существенному уменьшениюполного теплового потока; термодиффузия не вносит заметного вкладав перенос тепла.4. Сравнение потоков тепла в ударно-нагретых смесях N2 /N , O2 /O в однотемпературном и поуровневом приближениях выявило важную рольнеравновесной колебательной кинетики в переносе тепла за ударнымиволнами.5.
Результаты исследования влияния неравновесного набегающего потока на процессы диффузии и теплопереноса за ударной волной. Начальное колебательное возбуждение может приводить к качественному изменению полного теплового потока. Различие в скорости физикохимических процессов в азоте и кислороде определяет величину и направление теплового потока.Апробация результатов. Результаты, представленные в диссертации,докладывались на следующих Всероссийских и международных конференциях:1.
Международная конференция по механике "Шестые Поляховскиечтения"(Санкт-Петербург, 2012);2. XXIII Всероссийский семинар с международным участием по струйным, отрывным и нестационарным течениям (Томск, 2012);3. 28 Международный симпозиум по динамике разреженного газа (Испания, 2012);4. 5-я Европейская конференция по астронавтике и космическим наукам(Германия, 2013);5. IX Международная конференция по Неравновесным процессам в соплахи струях, NPNJ’2014 (Алушта, 2014);126. 29 Международный симпозиум по динамике разреженного газа (Китай,2014);7. 8-я Всероссийская школа-семинар "Аэротермодинамика и физическаямеханика классических и квантовых систем"(Москва, 2014);8.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
