Диссертация (1150751), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Вработах [10, 33, 64, 131, 132] скорость физико-химических процессов рассматривалась в многотемпературном приближении. В рамках поуровневого подхода скорость реакций в вязких газах рассматривалась в работах [126, 132, 135].В упомянутых ранее работах [153, 162] изучается влияние немаксвелловских распределений частиц по скорости на скорость хими-7ческих реакций в первом и втором приближениях метода Энскога–Чепмена, однако сами частицы считаются бесструктурными, и в работахиспользуются простейшие модели молекулярного взаимодействия. В работах [119, 120] теория скорости химических реакций строится не в рамках метода Энскога–Чепмена, а на основании введения приближенныхстолкновительных инвариантов, и в нулевом (невязком) приближении воднотемпературном случае получена зависимость скорости химическихреакций от дивергенции скорости потока, а также отмечено нарушениезакона действующих масс.Видно, что вопросу исследования колебательно-химической релаксации в вязких газах посвящено небольшое число работ; более того, численное моделирование проведено лишь в нескольких из них [64, 131] длячастных случаев (в обеих указанных работах рассматривается однокомпонентный газ, колебательный спектр молекул моделируется гармоническим осциллятором) с использованием упрощенных моделей для описания процесса колебательной релаксации.
Полный алгоритм расчета в многокомпонентной смеси с учетом внутренних степеней свободы построентолько в рамках однотемпературного [97, 125] и поуровневого [126, 135]подходов. Таким образом, вопрос о построении самосогласованной модели и алгоритмов расчета скорости физико-химических процессов в многотемпературных течениях смесей газов остается открытым. Применимостьупрощенных моделей колебательной и химической релаксации, роль перекрестных эффектов за счет взаимного влияния химии и релаксациивнутренней энергии в многокомпонентных многотемпературных смесяхвязких газов требуют систематического исследования.Другим подходом к расчету течений разреженных газов является метод прямого статистического моделирования (ПСМ), в рамках которого моделируется движение большого числа модельных частиц, каждая из которых соответствует нескольким реальным частицам газа [67, 70]. Для моделирования переходов вращательной и колебательнойэнергии молекул в методе ПСМ обычно используется модель Ларсена–Боргнакке [67,73].
Однако применимость данной модели ограничена применимостью используемых выражений для вращательных и колебательных столкновительных чисел. В случае колебательной релаксации для8расчета колебательных столкновительных чисел используются те же модели, что и для расчета времен колебательной релаксации, входящих вформулу Ландау–Теллера, и, как следствие, обладающие теми же недостатками.
Несмотря на развитие вычислительной техники, позволяющейиспользовать поуровневые сечения физико-химических процессов в методе ПСМ, реализации более точных поуровневых моделей колебательныхпереходов в методе ПСМ посвящено относительно небольшое число работ [75, 79, 80, 95, 117, 123, 138, 139, 171, 172, 178, 183], а влияние поуровневых моделей на двумерное обтекание тел рассматривается еще в меньшемчисле работ [75, 95, 117, 138, 139], при этом в перечисленных работах рассматриваются только течения азота и не исследуется роль многоквантовых переходов.
Таким образом, моделирование скорости колебательнойрелаксации в методе ПСМ на основе современных данных о сеченияхнеупругих процессов также является актуальной задачей.2. Общая характеристика и структура работыПроектирование современных высокоскоростных летательных аппаратов требует детального исследования их аэротермодинамических характеристик при полетах со сверх- и гиперзвуковыми скоростями.
Известно, что в таких условиях перед лобовой поверхностью аппарата образуется сильная головная ударная волна, в результате газ в области точкиторможения находится в состоянии, далеком от термического и химического равновесия. В разреженных газах зоны колебательной и химической неравновесности могут быть сравнимы с характерными масштабами течения; эффекты реального газа могут заметно влиять на параметры течения и тепловые потоки на поверхности аппарата. В связи с этимважно исследовать влияние колебательной релаксации, а также совместное влияние колебательной релаксации и диссоциации на аэротермодинамические характеристики аппарата. Экспериментальные исследованияв условиях гиперзвукового полета достаточно сложны, поэтому основным инструментом в настоящее время является численное моделирование неравновесных течений, требующее разработки современных точныхмоделей скорости физико-химических процессов в вязких газах.Таким образом, актуальность темы в первую очередь обусловлена9необходимостью точного расчета газодинамических параметров сильнонеравновесных течений для корректного моделирования полетов с гиперзвуковой скоростью и входа космических летательных аппаратов ватмосферу планет.
Кроме того, для инженерных приложений актуальной является оценка границ применимости упрощенных моделей скоростифизико-химических процессов, обычно применяемых при расчете неравновесных течений. Правильное описание скорости физико-химической релаксации также важно для моделирования процессов в активной среде газодинамических лазеров, потоков в соплах реактивных двигателей,течений в высокоэнтальпийных ударных трубах. Построение самосогласованной модели скорости физико-химических процессов, учитывающейэффекты реального вязкого газа, необходимо и для повышения точностиинтерпретации экспериментальных данных по определению коэффициентов скорости неравновесных процессов.Цель работы:1.
Построение замкнутой самосогласованной модели скорости физикохимических процессов в смесях вязких газов с учетом колебательнойи химической неравновесности.2. Исследование влияния параметров газа, ангармоничности молекулярных колебаний и степени отклонения от равновесия на скоростьфизико-химических процессов в смесях вязких газов.3. Изучение скорости физико-химической релаксации в течениях заударными волнами и в соплах, оценка роли перекрестных эффектов, связанных с взаимным влиянием колебательной релаксации идиссоциации.4. Установление пределов применимости существующих моделейфизико-химической релаксации.5.
Реализация поуровневых моделей колебательной релаксации в методе прямого статистического моделирования (ПСМ), исследованиеих влияния на параметры газа в задаче двумерного обтекания тел.Достоверность результатов обеспечена10- применением строгих подходов кинетической теории газов;- использованием современных моделей межмолекулярного взаимодействия для расчета интегралов столкновений, вероятностей переходов и коэффициентов скорости физико-химических процессов;- согласованием результатов расчетов с экспериментальными данными и расчетами других авторов.Научная новизна работы:- построена замкнутая самосогласованная модель и разработан алгоритм расчета скорости физико-химических процессов в смесях вязких газов с колебательной и химической неравновесностью в многотемпературном приближении, учтены перекрестные эффекты между различными физико-химическими процессами и влияние дивергенции скорости потока на скорость физико-химической релаксации;- получен аналог формулы Ландау–Теллера для скорости колебательной релаксации, дающий лучшее согласие с результатами точныхрасчетов в условиях сильной колебательной неравновесности;- на основании кинетической теории газов разработан метод расчетавремени колебательной релаксации, дающий корректное описаниеего поведения при высоких температурах; метод позволяет рассчитывать время колебательной релаксации для любых квазистационарных распределений молекул по уровням колебательной энергиии может применяться как для гармонических, так и ангармонических колебаний;- проведено систематическое исследование скорости физикохимической релаксации в многотемпературных течениях смесейвязких газов в широком диапазоне условий; впервые проведеныоценки перекрестных эффектов между колебательной релаксациейи диссоциацией в вязком газе; оценено влияние ангармоничностиколебаний, состава смеси, степени отклонения от равновесия наскорость физико-химических процессов;11- в рамках метода ПСМ изучено влияние поуровневых моделей колебательных переходов на параметры газа при обтекании двумерныхтел; исследована роль многоквантовых переходов в процессе колебательной релаксации пространственно однородного газа и при обтекании двумерных тел.Научная ценность диссертации состоит в следующем:- построена самосогласованная теоретическая модель скоростифизико-химических процессов в вязких неравновесных теченияхсмесей газов в многотемпературном приближении; в вязких газахобнаружены перекрестные эффекты между скоростями различныхнеравновесных физико-химических процессов и диагональными членами тензора напряжений; для многотемпературных течений доказаны соотношения взаимности Онзагера–Казимира для кинетических коэффициентов при скалярных термодинамических силах;- исследована скорость физико-химических процесов в различныхсмесях при различных неравновесных условиях; оценено взаимноевлияние колебательной релаксации и диссоциации; изучено влияниеангармоничности колебаний на скорость релаксации в первом приближении метода Энскога–Чепмена;- исследовано влияние многоквантовых колебательных переходов наобтекание двумерных тел.Практическая значимость диссертации состоит в следующем:- разработаны и реализованы алгоритмы расчета скорости физикохимической релаксации в вязких газах в многотемпературном приближении;- получено обобщение формулы Ландау–Теллера на случай сильнойколебательной неравновесности; уточненная формула может бытьрекомендована для проведения инженерных расчетов;- реализован метод расчета времени колебательной релаксации;- реализованы поуровневые модели колебательной релаксации в методе ПСМ;12- установлены пределы применимости упрощенных моделей времениколебательной релаксации и скорости диссоциации, даны рекомендации по выбору моделей в различных неравновесных условиях.Положения, выносимые на защиту:1.
Замкнутая самосогласованная модель скорости физико-химическихпроцессов в течениях смесей вязких газов с колебательной и химической неравновесностью в многотемпературном приближении сучетом ангармоничности молекулярных колебаний.2. Обобщение формулы Ландау–Теллера для условий сильной колебательной неравновесности и оценка пределов применимости оригинальной и обобщенной формул.3. Алгоритм расчета времени колебательной релаксации в газе с произвольными квазистационарными распределениям; результаты расчета времени колебательной релаксации в азоте и кислороде с использованием современных моделей сечений неупругих процессовдля гармонических и ангармонических колебаний.4.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
