Введение к работе
Потоки высокотемпературного газа н плазны представляют собой сложнейший физический объект, неизменно привлекающий интерес как с чисто фундаментальной точки зрения, так и для огронного числа «практических приложений. Олним из важнейших свойств таких потоков является интенсивное излучение оптического диапазона. Современные представления об интенсивности и структуре спектра излучения высокотемпературного газового потока опираются не тоько на теплсфизические и спектроскопические свойства молекул потока, и неизбежно включают большой комплекс кинетических явлений, определяюсжх реальные заселенности оптически активных состояний, которые могут существенно отличаться от равновесных.
Одним из наиболее сложных объектов высокотемпературной газодинамики являются импульсные сверхзвуковые струи высокоэнтальпийного газа и плазны, сочетающие неодчомермые и нестационарные газодинамические процессы с разнообразными плаэмохипическини, релаксационными и радиационными явлениями. Анализ неравновесных процессов, происходящих в таких течениях, требует не только детальных представлений о механизмах различных знергообкенных и химических процессов, но и знания большого количества сечений и констант скоростей эленегнарных реакций.
Неизменный и разносторонний интерес к этим процессам отражен в огромном количестве публикаииий. Можно констатировать, что к настоящему времени достаточно хорошо отработана газодинамика стационарных струйных течений, значительный прогресс достигнут в иакрокинетическом описании происходящих в них релаксационных, химических и плаэненных процессов. Однако детальная, поуровневая кинетика необходиная для списания спектрального распределения неравновесного излучения. раргаботана для таких течений вое весьма слабо. Если кроме того принять во внимание отсутствие достаточно простых численных и аналитических моделей, описывающих течение на стадии формирования струи, то становится очевидный необходимость всестороннего экспериментального исследования, эключаищего анелиз самых различных неханизнов неравновесного изчученип в специфических условиях нестационарного сверхзвукового струйного течения.
1^.35^5251 такого исследования определяете* в перву» очередь практической важностью создании надежных нпт-.не^них методов расчета поля и спектрального есстчаа нср»внпвеского
излучения выхлопных струй ракетных двигателей на стационармоп и нестационарно* ренине работы. Кроне того известен широкий круг практического использования сверхзвуковых струй высокотемпературного газа и плазмы в разного рода плаэнохипических и металлургических технологиях, при разработке газодинамических, хинико-газодннаиических и плазнодинанических лазеров а такие интенсивных источников излучения сплошного спектра. Важно также подчеркнуть, что струйное сверхзвуковое расширение сано по себе представляет уникальный инструнент для исследования неравновесных физико-химических процессов в условиях экстремальных градиентов температуры и плотности.
У?^5_Е*Ё1У поилась разработка комплекса физико-химических ноделей, описывающих заселенности оптически активных ноекулярных и атомных состояний в импульсных струях продуктов сгорания зависимости от состава газа и режима течения. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи: 1. Создание комплекса экспериментальной аппаратуры и разработка методов диагностики, пригодных для исследования, регистраииии и анализа неравновесных распределений высоковозбужденных молекул в условиях нестационарных сверхзвуковых потоков.
Z. Анализ особенмосей процесса формирования сверхзвуковых струй с глубокий расширением и создание простых эмпирических моделей, описывающих параметры потока на нестационарной стадии течения.
-
Исследование обобщенной кинетики колебательных степеней свободы в условиях импульсных струй и разработка моделей неравновесного ИХ излучения на стадии запуска струи.
-
Анализ' и разработка механизмов- неравновесного возбуждения атомарних принесей щелочных металлов в условиях колебательно неравновесных струйных потоков.
9. Экспериментальное исследование особенностей проявления хеннлюнинесцентных иехонизио» неравновесного излучения в условиях химически реагирующих струй и построение эмпирических ноделей, связывающих спектр хенилюнинесценции с химический составом, термодинамическими параметрами потока и распределениями энергии реагирующих молекул.
Й5ї2522_їїЕН2ї!5 работы состоит а следующем: 1. Гаэработан и создан комплекс экспериментальной аппаратуры и диагностических средств, позволяющий исследовать спектр-неравновесного излучения импульсных сгерхзвуювнх струп
различного состава в широкой диапазоне параметров торможения.
2. впервые получены достаточно простые энипнрические соотношеия.
позволяюсь описывать в обобщенных параметрах подобия динамику
распределений плотности и движение характерных областей потока на
начальном участке импульсной недорасширенной струи.
3. Впервые обнаружена и зксперинентально исследована область
интенсивного неравновесного ПК излучения С"вспышка") во
фронтальных слоях импульсной сверхзвуковой струи. Разработана
полуэкпирическая модель, описывающая распределение уровня
заселения основных излучающих состояний СОг в полосах 4,3 и
2,7 нкм на стадии формирования выхлопных струй продуктов сгорания.
4. Предлоаен механизм нерезонансного энергообнена атомов щелочного
металла с колебательно-неравновесным азотом, позволяющий правильно
рассчитывать уровень излучения принеси в неравновесном потоке.
5. Установлен механизм формирования парциальных функций
распределения оптически активных молекул в потоках
диссоциированного углекислого газа, определяющий спектр
.неравновесного Ув излучения струн в различных ренинах течения.
45ІЕ_25!?і!Иает:
-
Применение методов эниссионно-абсорбционной спектроскопии в атомных и молекулярных спектрах для анализа неравновесных функций распределения оптически активных молекул в газовых потоках.
-
Результаты электронно-пучковых, теневых и спектроскопических исследований динамики формирования недорасширеных струй, представленные в виде эмпирических уравнений в обобщенных параметрах подобия.
-
Результаты эниссионно-абсорбционных изиерений в ИК-полосах в импульсных струях, отраженные в численно-аналитической модели "вспышки" ИК излучения при запуске недарасширенных струй продуктов сгорания.
4. Механизм и распределение парциальных сечении энергообнена
атомов натрия с колебательно-неравновесным азотом, а таккэ
результаты измерения поступательной текпературы струи,
основанные на развитом механизме.
5. Результаты экспериментального исследования механизма
Формирования функции распределения оптически активных
электронно-возбужденных молекул в процессах лкссоциации и
рекомбинации углекислого газа за ударными волнами и в
недорасшнренных струях.
Кахая_и_п^актическая ЦЦЦ5ІЬ работы определяется тем. что
впервье получен обширный экспериментальный материал о динамике формирования неравновесных сверхзвуковых струй н {інтенсивностях их излучения в ИК, видинон и УО диапазоне при различных составах газов и ревинах течения. Предлагаемые в работе кинетические механизмы, определяющие уровень неравновесного излучения атомарных линий, колебательных и электронных иолєкулг,іл':аїх полос иогут быть положены в основу иикгнерных нетоаов расчета радиационные характеристик иппуяьстж струй.
В результате проведенных исследований сформировалось HOBOS НАУЧНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ на стыхе физики м х;;;ши низкотемпературной плазмы и молекулярной физики - исследование промессою формирования Функций распределения віеокозозбужденньк нолехул в сверхзвуковых потоках высокоэнтальпийного газа и плазпы.
Апробация E2It' Результаты, представ л еиные в диссертация
докладывались на следующих конференциях и сенннарах: на IX и XVII Международных симпозиумах по ударны» волной, на XII Международной еннпозиуне по динамике сидкостн н газа, на VII, VIII и X Международных коллоквиумах по динамике взрыва и реагирующих систем, на XI Международной симпозиуме по горению, на Иекдународном симпозиуме по оптическим методам а диианике жидкости С1984Э, на Мавдународной гакОяа-сенинаре «Высокотемпературная газодинамика и ударные волны» С1983J, на V, .VIII и IX Всесоюзных симпозиумах по горению н взрыву, IV н II Всесоюзных конференциях по динамике разреженного газа, па VII Всесоюзной конференции по дннаннке нзлучаюагвго газа, на III и IV Всесоюзных совещаниях по хеми люминесценции, на конференциях и ^семинарах о ИНзх ЯГУ, ИХ*. ДМИ. ИТМО'СНинсО. *ИАН, ЦАГИ, ИТФ СНовоснбнрскЭ.
_QlIet!S_fi5iE2iaUSi!_2S5!lE225St!2 & научных работ список которых приведен в конце автореферата.
Днсстация_состоит из введения, пести глаз и заключения. Полный обьен диссертации составляет 320 страниц, s тон числе 203 страницы текста, 108 рисунков, 12 таблиц и список литературы, содержавший 193 наименования.
Во ВВЕДЕНИЯ сформулирована постановка задачи п основные полоаения, выноеккьк' на защиту.
ПЕРВАЯ ГЛАВА по С вящена общей характеристике неравновесных процессов в расширяющихся потоках. Наиболее внимательно проанализированы те из них, которые могут при тех или иных условиях проявляться в виде интенсивного, термодинамически неравновесного оптического излучения сверхзвуковых струй в ПК, видимой и ближнем У* диапазоне.Краткое резюне проведенного анализа сводится к следующему:
-
Наиболее существенный вклад в интегральный поток излучения сверхзвуковых струй вносит, как правило, ИК излучение колебательных полос молекулярных газов. Кинетика колебательных степеней свободы является к настоящему вренени одним из наиболее изученных процессов,что позволяет разработать детальные механизмы неравновесного ИК излучения в импульсных струйных течениях.
-
Излучение атомарных компонент, главным образом примесных неталлов, имеет целый ряд особенностей, определяемых различием неханизнов энергообмена примесных атомов с инертными, двухатомными и нногоатонныни газами. Изучение этих механизмов представляет аесьна интересную и актуальную задачу.
-
Наиболее сложные процессы лежат в основе неравновесного излучения УФ и видимог о диапазона, возникающего в химически реагирующих струях. Гэкаэано, что существующие механизмы реконбинационного излучения - основного типа хемилюминесцентного излучения в расширяюкихся потоках, - не позволяют количественно описать спектральное распределение излучения в зависимости от параметров течения. Ответ на эти вопрси могут дать лишь разносторонние экспериментальные исследования.
Во ВТОРОЙ ГЛАВЕ описаны используемые в работе экспериментальные стенды и особенности применяемых на них методов диагностики, а также проанализированы физические основы, возможности и ограничения использования различных спектроскопических методов для диагностики нестационарных и неравновесных потоков ударно-нагретого газа. Детально описан созданный в ИВТАН экспериментальный стенд "ИРИС" - "Излучение Реальных Импульсных Струй".предоставляющий широкие возможности лля исследования различных классов неравновесных процессов в сверхзвуковых потоках высокотемпературного газа.
Стенд представляет собой сочетание ударной трубы с вакуумными камерами, что дает возможности исследсзать различные ти-іи
неравновесных процессов как за ударными волнани. так и в сверхзвукаовых расширяющихся потоках. Основное место среди диагностических нетодов, приненяемых на стенде "ИРИС" закипает эниссионная и абсорбционная спектроскопия в различных областях спектра. В Главе приведем детальный экспериментальный и теоретический анализ воэнокиостей стенда и различных нетодов диагностики. Принципиальная схема стенда "ИРИС" представлена на ряс.1.
Стенд позволяет создавать в пробке зо отраженной ударной волной у торца УІ объен однородно нагретого газа, температура которого ноает варьироваться в диапазоне 1000-15С00 К при давлениях О ,1-100 ати . Систене закуукнрозания и наполнения УТ н вакуумных канер обеспечивает их откачку до давлений на csaa 1*10~9 Торр и предварительное наполнение системы исследуемым газон в диапазоне от 1 до 750 Торр. Система очистки и снекинип исследуемого газа включает блок фракционного выяорагашания газовых снесей. масляные н водяные ловуши, обеспачивавгдо» содержание паров вакуумного наела и воды в нсслэдуенон газе иг выше 0,01 Si и устройство для равномерного перемешивания снесей различных газов непосредственно перед наполнением системы УТ и вакуумных канер.
Конструкция соплового блока и окон в ПК позволяет проводить изнерения непосредственно в критической сечении сопла и на различных расстояниях от него на оси и в периферийной зоне струи . Предусмотрены различные щелевые сопла с высотой критического сечения h» от 0,2 до 5 мм. В двумерной струе, Сканирующейся в такой канере, может быть достигнута однородность потока в направлении луча зондирования, что необходипо для количественного анализа . таких интегральных ' измерений, как эниссионная и абсорбционная спектроскопия. В диссертации проанализированы такие реальные толщины пограничного слоя не стенках камеры, ограничивающих поток .
При исследованиях в ударно-нагретых струях особое вникание уделяется точности определения параметров газа в пробке за отраженной ударной волной н характеру их изменения за время зкеперинента. С этой целью был проведен комплекс расчетных и 'экспериментальных исследований состояния газа за отраженной ударной, волной в ударной трубе.D этих исследованиях были проведены спектроскопические измерения температуры в различных газах при широком варьировании начального давлення и чисел Маха падающей ударной волны.В результате исследований было показано, что
! Q оіо'до о о
Щ=г 5/10 20308540
щшнюшп
Ч***
таяшшш
Рис. 1
Схема экспериментального стенда «ИРИС»: 1- ударная труба, 2-плоская вакуумная камера.Э-звуковое щелевое сопло,4-боль-шая вакуунная канера, 5-осесинметричное сопло, 6 - струя, 7- электронная пушка, 8 - детектор электронов, 9 - систена регистрации излучения.
60»
асз . w*
ftCS
аоз асі
J:
M:
Рис.2 Полное рабочее врэня у торца ударной трубы при турбулентном пограничном слое на стенках. 1,2-расчет, Э.4-эксл>;рипеит. 1 ,4-СОі. 2,3-Нг.
равновесная температура гезе пробки при чнслаа Иаха падающей ударной волны в днелазонг Н = 3 - 8 в цргд&лах погрешностей измерений согласуется с расчетами по скорости падак,ы,гЯ ударной волны. Этот вызод даст оснобоіг.ія полагать, что параметры торновгнип струй ударно-нагретого газа iioes:o задавать, неходя из экспериментально определенной скорости падакдай ударной волны.
Другим ваэтейсин вопросом при эксперии^нтальиом исследовании импульсных струй, ксгекакжгіх из торца. ударной трубы, является надежное определенно вренгт; сохранения невоэмукениого состояния газа пробки у торца трубы.
Этот вопрос твкве анализировался как теоретически , так и
экспериментально . Полное рабочее вреия у торца трубы определяется
как время мекду отракепиен ударной волны и приходом к торцу
возмущения, возникающего при столкновении отраженной ударной волны
с контактной поверхностью. В диссертации впервые определены
реальные значения полного рабочего времени с учетом пограничного
слоя на стенках. Полученные в работе соотношения позволяют
рассчитывать полное рабочее вреия В завиенкости от числа Нахе
падаюеей ударной волны, рода газа, днанетра труби и начального
давления. На рис .2 прнведгны результаты расчетов полного
рабочего времени у торце ударной трубы ДТ' о случае турбулентного
пограничного слоя на стенках. _
Для перекода от параметрических зависимостей .
AT'(И) = С^>"^« .С15
к численным значениям Дт- ( с) необходимо учесть ОТНОЕЭИНе начального давления перед ударной * волной Р* к нормальному атносфєрлону давления Рк И внутренний диаиетр ударной трубы d(cw).
Специальная серия ызнорен»;й температурі? и давления у торца трубы производилась при различный размерах отверстия о торце. Эксперннег»ты подтвердили вывод расчетов о топ, что при плохая отверстия, составляющей неньшэ lQg пловзадя торце, влияние истечения на интогральныз параметры газа в пробке прекгбргЕИпо пало. Далеэ в этой главе описаны физические основи к коисгруктмсиыэ особенности разлгзчных исполь.эуе?:ьсг -иетодоа спектроскопической диагностики.
Jtfca исследований процессов неравновесного излучения в ИК диапазоне развиты методы эмиссионной и абсорбционной спектроскопии в колебательных полосах углекислого газа.
В диссертации детально проанализированы физические основы и ограничения эмиссионно-абсорбционных изнерений в ИК .полосах и показано, что эти методы наиболее эффективны для изнерений засоленностей нижних колебательных уровней при тенпературах 1000 -2000 К. Разработаны нетоды измерения полной концентрации оптически активных компонент потока. Развиты нетоды определения вклада различных колебательных нод в интегральные заселенности оптически активных состояний по соотношениям интенсивностей излучения в различных ИК полосах.
Разностороннее развитие получили в работе изнерения в электронных спектрах. Для исследования неравновесного излучения атомарных линий примесных иеталлов использован обобтенный нетод обращения. Применение метода обращения на длине волны Д-линин Не (А=5893±10А) позволило измерять тенпературу электронного возбуждения натрия Тне Са в равновесных условиях - температуру газа} с временным разрешением лі нко и точностью не немее 5Хе диапазоне 1500 - 3000 К.
Методика одновременных эниссионно-абсорбционных измерений впервые развита для анализа неравновесного УФ излучения в горячих полосах молекулярных спектров. В частности, на стенде "ИРНС" развиты многоканальные эмиссионные и абсорбционные изнерения в ближней УФ и видимой области спектра применительно к рёконбинационной полосе (*Bi -г X*g )C0z. Схема изнерений подобна испольэуеной при ИК-диагностике (см. рис.1). В качестве источника излучения в абсорбционной канале использовался прибор "Люмен" на основе дуговой лампы высокого давления ДКСШ,. имеющей сплошной спектр излучения в УФ области, либо ленточная вольфрамовая лампа ТРУ-1100-2350У. Приемниками излучения служили ФЭУ-140 "фотон". В качестве спектральных элементов использовались интерференционные светофильтры фирмы "Speetrun Systen". Пространственное разрешение схемы составляло не более 2 нм, временное "1 мке. Показано, что при -температурах выше 2000 К такие изнерения представляют собой весьма прецизионный инструмент для измерения температуры газа в равновесном потоке и функций распределения " оптически акгичнчх молекул в случае отсутствия термодинамического равновесия. Таг, напринер, точность изнерения температури газа на длине волны 300 нм а диапазоне 2000 - 3000 К составляет не иемоо 1 . 9 неравновесных условиях измерении* знлчэиия с той ггэ точность» отразаат заселенности смл"?лпсиых выесковозбуадскных молекулярных состояний. Таким образом развитая кетоднг.а открывает зогзмоэнтосги
для детального изучения нёханизнов возникновения интенсивного У* излучения в хинически-неравновесных струях продуктов сгорания.
ТРЕТЬЯ ГЛАВА диссертации содержит описание результатов экспериментального исследования особенностей газодинамики импульсных сверхзвуковых струй.
В ранках данной работы ны ограничились рассмотрением процесса формирования начального участка сверхзвуковой струи, наиболее интересного с точки зрения возникновения неравновесных физико-химических процессов и, із то же время, наименее подверженного такий сложным газодинамический эффектам, как вихри, процессы перемешивания и т.п,
В основу анализа гаэодинанических процессов формирования начального участка сверхзвуковых струй были положены экспериментальные данные, полученные электронно-пучковыми, спектроскопический" и оптическини нетодани диагностики, на Основании которых развиты аналитические и численные методы описания нсследуеных течений.
Основными нетодани диагностики недорасширенных струй с экстремально большими нерасчетностяни Н=103+10* являются различные нетоды электронно-пучковой диагностики СЭПДЭ.
В лаборатории :физической газодинамики ИВТАН разработан и создан конплекс ЭПД импульсных струй, включающий систему .Формирования электронного пучка, систему вакуунировання электронной пушки, систену регистрации тока пучка, систему регистрации излучения и систему синхронизации регистрирующей аппаратуры.
Созданный комплекс аппаратуры даёт возможность, используя экиссионно-пучковой нетод, производить непрерывные изнерения плотности, концентраций и заселенностей электронно-возбужденных уровней в импульсных струях в течении всего рабочего времени установки от начала истечения до возмущения состояния газа у торца трубы, т .е. в течение 4000 мкс. Система регистрации излучения обеспечивает пространственное разрешение не хуже 2x2 мм при временном- разрешении не ненее 1-3-10"с и позволяет производить изнерения концентрации и заселенностей в диапазоне Ю^+Ю^сн"' с ToMHOMtb» не менее 20-30X.Регистрация тока пучка позволяет, используя метод поглощения, производить изнерения плотности потока в ' диапазоне от ю"до 101Эсм~*.
Одним из первых этапов работы явилась большая серия экспериментов по исследованию процесса формирования струй.
мстекаютах s пространство с чрезвычайно ннэкни противодаа-легіием (Ряіі ,3+2-1 о"Тор). иссяоловаяось истечение различных модельных газов (аргона а агота) с комнаткой температурой торкокакня и давлением торповзмия Р» = 7 * О ати.При этой нэрасчеткости исследуемых струй достигали экстремально высоких величин
Ро в g=j, «3+4-І0 . В качестве метода диагностики в этой серии
зксперкнентоз использовался иотод поглощения электронного пучка .-
Обработка подученных данных позволила определить закономерности
лоидзенив характерных областей течения и распределения плотностей
по всему пояо течения ма всех стадиях течения струи. *
Вавнейпай херактяристикой начальной стадии развития струи является двкеакие Оронта истекаювэго газа. Згширнческие уравнения, дэмиэния фронта мстекакицэго газа определялись на основании экспериментальных данных а виде квадратичного двучлена методой иамиеньЕих коеяратоо (to мксек , х в см ).
8г t s 5х O.U*' (2)
ar t s 9x 0,16xs (3)
Для расчета поля плотностей по данный* интегрального . поглоеэння выла составлена програмна численного интегрирования уравнения Абэяз. Погрэеность численного интегрирования не преаьваада is, a сбгзая погрешность определения плотности составила 3G-50S и сжладкэалась из неточности определения коэффициента пргдосзмия а разброса экспериментальных измерений . Результатом этой части работы явились пространственный распределения плотности по поло течения струи з различные моменты времени. В диссертации представлены данные об .изменении во времени распределений плотности в струях азота и аргона на расстояниях от Є0 до 600 калибров от среза conjsa вдоль оси струи и на расстояниях от 0 до ЬОО калибров в поперечном направлении потока. .
Следувеий цикл экспериментов был посвящен исследование) запуска струй с нерасчетностяии "10 , исуекаюких а пространство с противодавлением Роо * (1+3)10" Тор. Важным отличием этого" цикла экспериментов было одновременное использование нескольких каналов измерений, впервые включавших псмино иетода поглощения э.еектронного пучка эииссионно-пучковьст измерения в нестационарных струйных течениях. Сочетание двух независимых яетодоо измерение плотности дало возможность получать надвЕнув количественную информации о пространственно неоднородном н нестационарной разреженном потоке.
Эгспериненты проводились на вакуумной камере стеяда "ИРИС
ИВТАН (объемом 2 и*), исследовался процесс формирования струй азота и аргона с паранетрани торможения Ро=5+6 атя, ТоіЗОО К.
Совокупность полученных данных дала возможность проанализировать динамику заполнения фонового пространства и распределения плотности в различные моменты вренени на стадии формирования струи . Полученные распределения показывают, что при временах t>400 мкс область нестационарного теченмя от Х=400 во Фронта истекающего газа характеризуется ' более высокими уровнями плотности на оси струи, чем последующий стационарный поток. Значения плотности, полученные для стационарной зоны потока, согласуются с данными, описывающини течения в стационарных разреженных струях.
Для анализа динамики развития струи в периферийной зоне были проведены измерения плотности в нескольких поперечных сечениях потока на различ ьсс расстояниях от среза сопла. Измерения проводились как локальным эмиссионно-пучковын методом, так и методой поглощения электронного пучка с последующим решением интегрального уравнения Абеля (в предположении об осевой симметрии потока). Полученные распределения определяют общую геометрию струи, Формирование боковых висячих скачков и характер изменения плотностив прносевой зоне.
Наиболее удобным объектом для исследования неравновесных радиационных процессов в сверхзвуковых импульсных струях являются струи ударно-нагретого газа, истекавшие из плоского, щелевого сопла, установленного в торце трубы. Основные кинетические результаты, описанные в последующих главах диссертации, получены в Струях яиенно такой геометрии. Поэтому в задачу этойчасти работы входило детальное исследование особенностей газодинамики нестационарных двумерных недорасшнрениых струй. С этой целью была проведена специальная серия экспериментов ма установке "Диоген" ИВТАН, оснащенной теневым> щлирен-методон. Исследовалась динамика волновой структуры двумерных импульсных струй различных модельных газов . - одноатомного Аг, двухатомного На и трехатонного - СО» в широком диапазоне температур торможения Те = 1000 + 13000 К И нерасчетностей s e = 50 1000.
«АР
Сопоставление картины течений струн , ^ізота, аргона и
углекислого газа показывает, что в обеих чертах развитие течения
подобно. В диссертации представлены данные о движении фронта
нсгекягшего газа в Аг, N* и СОа прн различных давлениях
сгружавшего пространства р?о. Выяолен и исследован эффект
замедления фронта, увеличивающийся с ростон противодавления . Так , при наименьшей противодавлении роо = в-10хПа в № и СОг на регистрируемом участке течения фронт истекающего газа движется практически линейно, не испытывая замедления, а при р» = 3,Э-10*Па скорость фронта при удалении от 20 до 100 нм от среза сопла падает .более чем в 2 раза . В работе получены также аналогичные данные для динамики вторичной ударной волны и данные о движении первичной ударной волны в фоновой газе.
S последнем параграфе главы приведен анализ и обобщение полученных экспериментальных данных и представлены обобщенные уравнения движения, описывающие динамику стартовых разрывов в вироком диапазоне параметров форнирующихся струй.
Для анализа и обобщения экспериментальных данных по движении фронта истекающего газа вдоль оси потока необходимы паранетры подобия, исключающие зависимость полученных энпирических уравнений движения фронта от рода газа и режимов истечения . Отличие движения фронта в условиях различных экспериментов, составляющее для разни< серий экспериментов не ненее 200-300/:, нохет быть проанализировано при учете опиЛиа определяющих параметров исследуемых струй . В таблице 1 приведены значения основных определяющих параметров для различных серий экспериментов.
Таблица_Д
1^ 1
Координаты подобия, обобщающие данные, полученные в различных режимах, должны представлять собой одночлены:
подобие по времени Ki = Tm- Нв-2 R%
подобие по координате К« : - X-Ha-Z Rsf '
t г
CIS» = —г— -—д- "Co ; Co - скорость звука в форканерв).
В диссертации детально проанализирована :применимость
различных паранетров подобия, известных в литератур*, для описания
динамики фронта истекающего газа. Так сопоставление теоретически
уравнения двиаэння
т = ? + 0,5{г CiJ
С Чекмарев.1973 J и экспериментальных денній в различима газах в ре синах течения указало иа сусгвствгниое отлично полоетмна фронта в фиксированные моменты врененн с порамсмр.-ік { и т :
? = xV~*l"*. г = Т-Н^Г0-3
СНапример расхождение нввду полозгниен фронте о А г м СОэ достигает 100Х.Э. Дальнейший анализ полученных данных позволял связать отличие двИЕяння фронта в условиях рвэ.;..:-шмя зхспермиектово координатах Л н тс влининил температурного фактора. Иа рис. 3 представлены данныэ различные экспериментов Сси. табл. із в параметрам:
0 . и .^,. .(^ , . —а
Обобв&нниа уравнения дзмвгния Фронта С2Э.СЭЭ в этих координатах лрэдетавлены ед;тоЯ врмзой:
Ф s 4 Є* (3)
Хорово видно, что предлосгнное уравнение удовлетворительно описывает весь комплекс полученных экспериментальных данных я поест быть рекомендовано для описання двиеэння фронта истекающего газа при формировании струй о различных реЕганаа тєчгиия. * В работе проведан анализ и обсбеенив дамиш по иарастонн» плотности о осевок и попгречном направлениях струи иг стоднн ее формирования.. Показано, что характер мерастаний плотности в осерои напраглэннн потока поске прихода фронте истекакдаго газа не зависят от рода газа и расстояния от среза corrj» п иовгт бить описан единой зкепоненц&зльной эазмсипостью с постоянной врспенн:
Т» 400 і 50 <в>
При диализе распиренмя струн было установлено, что в отличие от нарастания плотности вдоль оси этот процесс сильно пеняет иаскгтаб .^зависимости от удаления от среза сопла. Прнблнягиный анализ показал, что врепя нарастания плотности е поперечном направлен!»! увеличивается прингрно пропорционально времени дестнггния фронтон данного ссчгнкя потока.
Обработка згеперниентслънггг дэнмых в форяе экспоненциальное эавиездоости показала, что с точность» 20 процесс расширения струи навет бить описан сооткоегниеп:
У/у__ = 1 - охр ( - «>/2> (7)
6с где ф - Тв/Тв - СеэрезнериыЯ параметр вреиенн ;
у - стационарное полоезияо заданного значения плотности}.
Постоянная вренени этого процесса составляет:
ту г (2 0.4) t*P
3 jpl ^ "iff J^ J$ ^5 g
Рас. 3 Дансеыне фронта истекающего газа в сбобвгнных параметрах подобия. 1- зксперипенты n.III.3. 2- эксперименты п. Ш.4, 3 - эксперименты п. III.5, <3а - Аг, 26 - Hi, 3s - СО*). Еиркзя линия - аппроксимация (5).
О диссертации проанализировано отличие а характере расширения азота н ергона и показан ч что это отлична полностью определяется влняммен врасателькой энергии молекул азота. По мере удаления от среза сопла М закорайиваинп вранзтельио.Ч энергии течение в обоих газах приобретает сховнЯ характер.
ЧЕТВЕРТАЯ ГЛАВА диссертации посвявэна исследование особенностей проявления колебательных неравиовесмосгеЯ а импульсных нелорасгеиренных струях.
Достаточно полная разработанность кинетических полелей позволила каи аналнэирозать неравновесные эффекты на колебательных переходах з наиболее слоеных глзолинаническии условиях- на стадии йорннроэения струи. Из опыта наблюдения натурных струй ракетних двигателей хороио изэестен эффект Бозникноаення интенсивно!! "scnusxM" ИК-нзлучення э момент запуска струи. Следует ответить-. что попытки объяснить это явление особенностями процессов догорания топлива при запуске не дали удовлетворительных результатов. Более того, подобный пик ннтексиэного НК-иэяучения яозно заметить я при лабораторных исследованиях импульсных удйрно-иагретых течений расширения продуктов сгорания , т.е. в условиях, когда процессы догорания отсутствует вовсе. larun образом, наиболее естественно связать наблюдлеиуп "ослнгэсу * с особенностями протег.ания гмнетичесгих процессов в стлртовоЯ зпи»
потока, газодинамические; характеристик» которого. принципиально отличаются от последующего ствцнонгрмого течамнп.
Были исследованы импульсные деумерныэ струн ССэ.Пз а такаг» смесей СОг, Й* н Н*0. истекающие us торца ударной- трувы. Равновесныэ параметры газа за отраиемноЯ ударной волной, т.е. параметры торножгкня истекегмагй струм варьировались в пределах Те = 1300+3500 К и fa = 10-60 ати. Диагностика импульсной струи производилась методами многоканальной зпнссі. -иной н абсорбционной спектроскопии в виднной и ИК области спектра. Получрниыг результаты показали, что с удалением от срезе сопла в стартовой зоне потока формируется интенсивный максимум как нзлучательноВ, так и поглотательной способности газа. Длительность этого максимума, отрекаюкзго нестационарную стадия течения, увеличивается от 20-30 икс на расстояниях к-Л г ,3 ни со 50-60 икс на расстояниях я=40,3 ям. Annлигуда пике эмиссионных сигналов довольно сильно зависит от рекнна течения и пря наиболее "горячих" режимах на расстояниям 30-40 квлнброэ от среза сопжз достигает примерно десятикратной величины от послэяуюЕмх стационарных значений .
Обработка получения* сигналов дала еознозэгость определять тенперотуры заселення соответствуюіетх оптически актыгимя переходов, т.е. судить о распределении энергия в нолекулах истековзэго газа , о в некоторых случаях ts определять копідектрашіг логлояаюзмх молекул, т.е., по существу, плотность потока в регистрируемой точке,
Основой для анализа полученных экспериментальной данных явились распределения плотности и колебательных температур вдоль оси струн на стационарной стадии течения . Иа рнс. 4 о обобскиных
координатах В и тя (Цгр^-) приведена сводхо экспериментальны»
результатов, полученных иа различнее; расстояниях от среза сопло и в различных регннах течения . Полученные? данные с точночтье» ±20 X обобщаются зависимостью:
^Н1 = 0,1« iS. (9)
сю х
Приведенные эмпирические распределения плотности удовлетворительно согласуется с предшествувЕММн экспериментальными и расчетными результатами для течения в плоских струях .
На рис. 5 экспериментальные измерения колебательных температур антисиинетричкой (Ts) и спаренных иод (Ті; СОг
Рис.4 Ствционарнов распределение плотности вгояъ оси дауивриоЯ струи в обобеенкьос кооряинатая. Сплошная линия - аппроссинация С9).
сопоставлены о ровиовеспксш теклсротуроки СОг" (Tpomi), нсРдвмкыяп
НЭ НЭЭНТРОПИЧЭСКНК СООТІІОІКгНІІЙ ПрН OT|]OSK?HHS3 удалынк
теплоєнкостєй у si ,2 (Слизкий к равнооеснону для СОг при
Т =1000+1500 К) . Xoposo сняло,что но небольгазг расстояния» опт
среза сопла течение близко к равновссноку , эайетмог
"эапораеивание" колгСатилыгьс: теилеретур наблюдается л:іль на расстояния» X>(20-»30)ljo.
Абсолютные эночсмня колебательная тег."" ратур Тг и Та оказываются близкими во сеем диапазон* проведениях измерений, поэтому с дальиейезн при еззслизо получении;: результатов а струях СОг ны пользооолись понятиен сенной колебательной температуры Tv.
D спеси 1С0а + 10Г« наблзздеетса пекото р оа рассл о еииз колебетельных температур СОї, ток, ни расстояния XrlBh" тєипература внтксіїниетричиоі) погіі Is составляет 0,7 * 0,0 от температури торноз-гзж.ч То, о то врсня кек температура спареїшья ноя левит несколько кнаї: Та ft; (O.S * С,6)Те, Зкаченкс рввносесноК температури гютоко о этой точке, рассчззтаннээ из нзззітролкчесаснх соотноезонмй (при ysd ,3) »! даниыз: о платносте, составляет Тт ss 0,3-Т». Добавление D указанную езззеь 6S пероэ HsO прпиолит к ускорению колебательной релаксації»: я на расстоянии 3 = lOh3 колгСателызкз» тепясратуры СОв не npocziiassT t Id 5 0,5 їо и TaSO ,й То.
В струяіс нер&эбавлгшзого аготь течеізка isosio йыяа с уверенностью считать полностью колгйотєльио-заїзорозшгн^ігі й экспериментальны? данніяг о тєипература эдоктрокного воэйуезгиигг натрия позволяла опрегэлять поступательиугг тегзвйратуру потоке.
Эхспериноятальйуэ результаты, получению не стамионарноЯ стадии точении струн, указом іза удоолетызритеззызую пригодность, пркбли-знкьг;: петодов расчета плотности м поступательной температури D случае полмсетьа колгбатэльно-занороя^нкого тгченмя. Иайданньй знпнрачоскиэ закономерности реаллэуеяого стационарного сварязэукезого колэботеяызэ-нвраоззос&снего расвиреияя пэ евмі бшга использованы далее как есиоза при ' анализе вестационарной стедяи потока.
При обработке всох осщядеогранн от-*гатл«ьо проявилось
воэннккссэмке и развитие узгеэтиенной эо;ш і:а фронте потока .Получєинш ллянії» о еззрастакяи вакемнуиа плотности в уплотненной зоне с удаленней от среза сопла показали, что отноеяйне ржы/рст tie зависит от рєзшна течения и но«ет быть аппроксимировано функцией типа
а?
Тт.
А-Т3 о-Т2
——7Ьа*Н
ф т
'^
—л*
#
"firVT
-%
Рг*з.3 йоягбатеяьяяз1 теяггэрвгурм в стзцрояартшГ! crrpyo COs. " Та, & - Тэ. Пуї*ктир - рошкжстгая тенпэратура СОз
го
ЗО
за
О'
' із/
Рис.6 Реет интенсивяости излучения а стартсэой гемо струм по otnoit^hms» х стационару с удаление* от среза сопла. Д,Д - 4,3 ики, о, - 2.7 яки; Л,о - То = 2600 - 2S00 К, А,о - То = 1500 - 1700 К
Сопост&зл&н завксикость (10) с кзискссг»*й>и пдоткастн bajdju» осіі CTfiUUCHspiiOit струм (), потрут о получить, что
pa п '02n tll>
гдо п = ?г - начальний ncponajs плотности а
рюш» = 0,02р*> (12)
Тйр;ив з,кОііокориостк изменения каескнуна п.вогностк в уплотненной
зока нестационарна!! струн о зависимости от ре&іяа течений в
расстояния от среза сопла сиаэлени оперта . В диссертации
проанализирована Есзновзіая Схзкч&скап природа набллла^кого
мекекну t:a плотности и показано, что он полностью определяется
проковденнек вторичной удорной волны. На осиоаа полученные экспериментальных данных Сыдз ксйдсно экпиричсское уравнение, опиею&Кііззе нэкгнекне числа Маха этой еторичноя ударной волны в ебекснвостн от расстояние от среза сопла:
Иі.= (0,7610,05) (0,06*0,01)* (13)
!їа рис. 3 іірвдстаолігиа сводка зкспернвб!Нта.ій>иих донных об относительной интенсивности вспьй&;и излучения в полосах 4.3 и 2,7 нкіі СО» и зашісішостм от расстоянии от среза сопла при различных резинах течения. Видно, что наиболее интенсивная еспкЕка наблюдается э полосе 2,7 мки СОг. !І расстояниях и = 40,5 h* интенсивность еспьшк.ч примерно е IS pas превмаает ииггненоность излучения стационарной струи.
Для стального анализе механизмов, лееасмх в основе
С02ННККОССНИЯ SCniSLXtt. ПОЛуЧенИЬ» ЗССПерИИентаЯЬНЫЗ A2HHfcC? 6l>1-i
представлены ка «эике ксяяВательнью температур различный поя С0«. В работе проведан детальный анализ изменения поведения ко;,г&атехышх теиператур различных вод СОа в зависимости от состава газа н рекнка течения. Показано. что характер изменения солобательких температур принципиально различай э струях однокомпонентного СОг и в смесях СО» с Ці к ШО. В частности, в диссертации сделан чрезвычайно интересный вывод о принципиальном отличим влияния неравновесных процессов на уровень излучения стационарной и нестационарной струм. Ойкгизвестно. что интенсивность неравновесного излучении стационарных рассирядоцнхея потоков тен выаэ» чем медленнее релаксирует энергия, запасенная на внутренних степенях свободы. В нестационарном струйной потоке, солрово&паюкгпся сильныяк
газодинамическими неодмородмостяяя. в частности обравзгмиоП ударной волной, сжиплюе?* я нагрэваюетЯ истекаеетй газ, происходят обраткьй эффект, а нп#нмо, ускорение релаксационных пропессов приводит к увеличении интенсивности излучения из этой уплотненной зоны потока иа фронте струи.
На основании полученных яаяных а работе развита простая полузнпкряческая Нояель, пазэояпвйэа с нинипвльиоЯ затратой вренени оценить с тонкостью "ЗОХ яняаинку и аиплитуды параметров о уплотненной зоне .струи , a Tars? урсрвиь заселения основных мзлучзетих состояний СО» о этой зон потока. Сувество этой подели сводятся К С-С?ДуКМ!??гіу:
I, Параметры стационарного потока определяется по яввой стандартной расчетной ветогякг на, в простЙЕ5?и варианте, дяя равновесного течения - по нэзнтропнчесхня уравнвнняи п эяпирическоиу соотмозягнм» (9).
Z. Линанижа передней границы уплотиеяноЯ зоны- т.е. фронтя ист«хаот?го газе яожет быть с точностью 30% определена из знпирического уравнения (5)
3. Яннаннка задней границы уплотненной зоны определяется
дриетниеп вторичной ударной волна с чисяои Паха Мї(сн. ур-ие <1Э).>
по стационарнояу потоку.
4. Распределение параметров в уплотненной зоне яеяду
вторичной ударной эояиой а Фронтон нстгкаяждго газа определяется
кинетикой колгбатеяьиоЯ релаксации за пряяоЯ ударной волной с
чнелоя Паха <1Э) в хваэмоднонериоя потоке при PrConet.
Несмотря на прибляетииыЯ характер предлагаекой йодоли, описывающей уплотнениуи золу нстеязстгиго газа как область> яеаду фронтон потока и вторичной удрркоЯ воямой, распростраияяпейся по стацмонвриопу течение, такая простая схеяа яозгет быть оесьяа полезна для практических целей, когда необходимо с наняеиькинн эатратакя времени оаенить размеры, динаиику п яиплмтуды параивтро» потока в стартовой эоме струя.
Прнкеры расчетов по описанной пояузяпирическоЯ иотояике указали иа хоровее согяасмэ с эксперименте» как по времени прояоавенип передней и задяей границ уплотисииой зоны, так и по эначениян тевператур в этой зоне потока .
На рис. 7 приведено сравнение зкеперииентаяьных значений иакенналъных колебательных тенператур, регметрируеных s стартовой of-.пзстн с-гуи СОж, с расчетами по предлагаеяой полуэипнрической «етодиг.е и ччеиииин расчетами. Расхождения не превышают
iO-lSX, что позволяет рекояеияовать описанную полузкпиричоскуо иодзяї. для бас.рик оцгиок параметров потока с уплотненной еомс-икпуяьсной кэдореспзфэкной струи.
Анализ» особенностей кинетических процессов в уплотненной гсиэ струи позволил текез преалоа^«т8» кепользоезть обраьзнкуо ударную вояну » расширятазэнея сееряэаукоаои потоке ду» усиления ногаадоеой нераег.огесностн ко-яеСательно-занороагккого потоке. НаЗ&экы условия , при которых такое тдачение иожгт бить кспо-аьзавано для создания газодинамического лазера нового типа , по ряду характеристик пресьшавцзго традишаонкыа Г&2 на СОа.
й/і О? 0,6 0,5 ОМ
л?
«?0
Ркс.7 Изменение накеннальных относительных значений солгбательнуз твкпвратур за вторичной ударной со .<ой в струе. Пукктнр -колебательные температуры СО* в стационарной струе, сплосзаая янпмп - равновесная температура за вторичной ударной волков
ПЯТАЯ ГЛАРА «иссертации посеявшие нзучеиию особенностей элехтронио-колгбатеяьисго я электронно-поступательного энго влаянпя привгсяісс иетадяоэ иэ свойства исследуечсй среды.
ПервьД ропрос. возникавший при аиалнэе эмиссионных и вбе-орбциоияъзя свойств линий принвеяых нетаялов, это реальная концентрация примеси, сол^ра.згзгПся о гаэоаоя потоке. Другой мепаловаетьй! вопрос касается степени равновесности радиационных н сточкмоаитедъммя процессоо при конкретного параметрах газа . В работе проверена специаяьнїя серия эпяссмонно-абсорбциэиных изнерениИ. вкполиеиьст по яетоду "емрокоЯ езли", о результат» которых определено, что содержание естественной принеси натрия в разных га?ах колеблется о пределах " (1-4).10 X. Анализ погрешностей язпереняЯ теипгр'атур по З-лини!» натрия, связанная* с раднациоиныя оялавдамиеп. показал, что при оптических толкинак "10 я теиперятурля ~20ОО К погресмость становится ЗанетмоЗ у— 2 1 % при лавлеямїзя Р 2 ЭО Тор.
Первая серия экспериментов касалась изучения уровня возбуяданкЯ принеся иатряя в инертмюг гаэоя, г.еэ сечения эиергообненика процессоо чрезвычайно низхл. Э ьтоя' случав удается экспериментально наблюдать чрезвычайно митерескыЯ эффект оелзгеацкя электронного ооэбуядежия матрмя за уларноД ао/гиой и занс^Мзиваиие воэбуядеиия а сверхзвуковой струйной потока. Анализ получении* данных о ранках релаксационного уравнения позволил ^предгччть. что в диапазоне температур 1800-2800 К сечение тушения натрия аргонон леггит э пределах (3S1 )10"мсн и слабо уменьсиется с тенпературой . Полученное сечеия» примерно э 10 -10 раз мчите . ч*м сечение зчергоебмена натрия с двухатомнмнн
молекулами. Одно м> существенных следствий столь низкого сечения тумекия состоит в ток, что в целом ряде ситуаций ножет возникать неравновесны» заселенности электронно-возбужденных состояний атонов натрия и соответственно неравновесный уровень его излучения в потоках аргона.
Наиболее детально исследован в диссертации энергообмеп натрия в колебательно-неравновесной азоте. В соответствии с задачей настоящих исследования было проведено три серии экспериментов в различных типах неравновесных процессов. Первая с»("йл . экспериментов проводилась в условиях, близких )' изотермической колебательной релаксации, которые достигались за отраженными ударными волнами в снеси 33XNi+67XAr . Вторая серия экспериментов также была проведена за отраженными ударными волнаии, но в условиях нензогернической релаксации в чистом азоте, чем достигались, в частности, большие степени неравновесностн. И, наконец, третья серия эксперинентов проводилась в импульсных струях ударно-нагретого азота, где достигалось значительное превышение эчерггсодержания колебательной степени свободы над' поступательными.
Важнейший результатом этих эксперинентов явилось количественное изнерение соотношения между температурой электронного возбуждения Натрия и колебательной и поступательной температурами азота в самых разных типах неравновесных условий. На рис. 8 приведены примеры поведения различных температур в зоне колебательной релаксации за ударной волной к в колебательно-замороженной струе азота.Хорошо видно, что уровень электронного возбуждения натрия не совпадает ни с колебательной ни с поступательной энергиями системы. ЧТО свидетельствует о нерезонанснон неханнэне передачи энергии.
Анализ механизма энергообмена принеси № в неравновесных
потоках азота проводился на основании общей схемы взаимодействуя.
в которой помино электронно-колебательного обмена с молекула*,*!
азота учтены столкновения с электронами и радиационные переходы:
. в.
Ha(3*S> + Ha(i) ZZ йа(ЭгР> + И*Ш
йа(Э S) + є ^нГт На(ЗР) + е
Ka(3*S) + hv 7±п Ва<Э2г) -Поскольку в условиях проведанных эксперинентов частота столкновений, приводящих к обнену энергией z=NoyV10loc (т.аАОАг), скорость изменения Тт ( Ту = Const ) dTr^dt S Ю" К/с,
t т
Рис.8 Сравнение экспериментальных значений температуры
электронного возбуждения натрия С ходом колебательной и
поступательно?! тенператур азота
аЭ - при колебательной релаксации эа ударной волной
63 - в двумерной ударно-кагретоЯ_ струе.
т.о. 341 врвия нескольких стоджі;овсклО температури ненветса примерно на 1 градус или SO,15, било пренпекино кааэистеинонарноФ расскотрзкне для концентраций основного ы возбувдеьшого состояний катркя . О схеке уч^тигамсь гголкковенкя с коле к умны азота,
иізвекгінк начальное созбуїдконме j-0,1 и 2 кванта. При этой, считай
т т т т
что к «к «2к «к и нспользуа прмкцаїп дагллъного равновесие
было получено слздусетв кинэтнческое уравнение:
jj^*- і о = (^: k?i'm>'H ьвя.-.а * >-«*>* о d'v(a* V) -
- (CvbT»-iu>-H* - kT-n»-B* - r»»H* (14) » которой учтена возиоеность переноса возбуюагнных частиц в неоднородном потоке. Здесь t и к - парциаяьмы» константы скорости аозбуздения и туЕкния натрия в столкновениях с новекулапи азота при переходе их из 1-го на j-й колебательный уровень, m к nj- заселенности отдельных уроанай Es, к и к - константы скорости возбуждения к туюзиия натрия в столкиовеииях с эластронанн, r«-концентрация элактроноа,- упогл а j-изд- частоты nor доданая it испусканий резонансного излучения Д-аинин котрая, V- скорость потока. Пределои сумнкроггкня по і б уравнении С14) валялась рсзонансн&в передача эивргнн г*»»* = г-з- определяющая вероятность чисто резонансного электронно-колебательного о&кена под который поминалась эффективная сунна передачи 7xQ квантов в пренебрег»!*!!» яефзктон знгргнн (вма-7кв) и (вна-вкв).
Для опредг.сэш!а парциальных вероятностей возйукдэнмя « тувзиия натрия с передача^ различного количества колебате.ськдо квантеэ азота была проаналкзироиана значккссть отдельных слагаеных о уравнении С14) и сопоставлены расчеты уровня возбук/»!лн На при различных колебательно-поступательные керавновесностях с экспериментальными данными. Анализ показал, что квнбольсее значение в условиях проведенных экспериментов киеет столкнознтедьний экергоо&кен с нолекулапн азота.
Частота возбуедаювих столкносения с нолекулаии азота, определяемая первый членом уравнения (14)
fioser быть с предполос?нни, что заселеииостм колебательных уровней азота (і = О + 7, j = О) D струе связаны соотновениен Тринора ;
пі = nexpi - it v - <*:^?»*« и С16Э
(x« * 6-10"*- постоянная ангарнониэна азота) приведена к виду
Z5* = Г-п-^ c*expt -^ 4 ів(1 - 2x.K7T - ?,>] 75
Здесь Tt- эффективная колебательная температура первого уровня N», 3 результате выполненного анализа процессов возбуждения и дезактивации натрия в колебательно-неравновесноп газе показано, что в исследованию^ условиях наиболее оправданной является нодел*» столкновительного механизма обмена между примесь» и основний газон. Дальнейшее расширение по яере удаления от среза сопля приводит к повышению роли переноса излучения, и на расстояниях х>50г* от среза уровень возбуждения натрия полностью определяется яэлучательныяи процессами.
Проведенный анализ показывает такая, что определяющая роль кехаииэнов, ответственных за возбужденные принеси, оказывается однозначно связанной с геонетрией потока и с параметрами торможения. Предложенное рассмотрение определяет оптимальный подход к подобным оценкам.
3 таблице 2 приведено распределение вероятностей энергообкенных процессов № с lit с перелачей различного, количества колебательных квантов, полученное на основании анализа всего комплекса экспериментальных данных.
Таблица i. .
Приведенное распределение вероятностей передачи различного количества ' колебательных квантов при электронно-колебательном обмене натрия с азотом полностью определяет механизм неравновесной передачи энергии. Экспериментальные значения , парциальных вероятностей тушения, полученные при широкой изменении неравновесных условий обеспечивают надежность полученных результатов я пригодность найденного неханиэна для описания уровня возбуждения натрия в любых неравновесных условиях Tv < Тт .
Представленное распределение в сочетании с уравнением:
г Z «i*e i»o
kTv
позволчет представить температуру _ возбуждения натрия
27 .
функцию двух газовых генператур.
В ШЕСтОй ГЛАВЕ диссертации изложены результаты
экспериментального исследования роли высокоаоэбувденных молекулярных состояний в процессах распада-рекомбинации на примере детального изучения процессов заселения, дезактивации и распада аьтсоковозбукденных молекул СОх в химически-неравновесных потоках.
Первой частью такого исследования явился анализ структуры молекулы СОх. определявши ее спектроскопические свойства в зависимости от различных параметров потока. Последующие две части работы посвяпданы изучению иеханизнов заселения и распада высоковозбухденных молекул СОх в хинически неравновесных условиях. Поведение функции распределения оптически активных высоковозбухденных состояний СОх изучено на основании анализа двух принципиально различных серий экспериментов- при термическом f/аспгід» однокомпонентного СОх за ударными волнами и при рекомбинации колебательно-неравновесного диессоцнированного углекислого газа, в сверхзвуковой струе.
Экспериментальные возможности диагностики высоковозбухденных состояний СОх опираются не существование довольно интенсивной полосы» приписываемой переходу (*Вх-Х*) и расположенной в бливней У4> и видимой области спектра ( X = i-jOO - 6000 (1 ).
В проводимых сериях экспериментов были совнеозны эмиссионные и абсорбционные измерения на одних и тех ве длинах волн в нескольких достаточно узких спектральных диапазонах полосы (*Вх-Х*г:)С0х. Для определения коэффициентов поглоиения в выделяемых спектральных диапазонах были проведены специальные серни измерений в условиях полного тернодинанического равновесия за отраженными ударными волнами в ударной трубе . При определении эффективных сечений оптических переходов en а выделяемые спектральных диапазонах Хл±ДХ\. оптическому переходу на длине волны XI приписывались (учитывая нераэрешенность колебательно-вращательной структуры полосы) фиксированные энергетические состояния молекулы СОх.
На рис. а приведена сводка всех полученных автором экспериментальных данных о спектроскопии электронных полос ССа. Анализ полученных результатов позволяет сделать вьоод. что 'п^и температурах сьшгэ' 2500 J! оптические переходы на всех длинах волн полностью определяются полосой (*Вх-Х*Г.) с примерно постоянна-сечением оптического перехода a U 7.10~1schz.
При гсеиьтах температурах идентификация состояний, ответственных за оптические перевода на йыЗраниък длкнак волн не столь нй^яяа- сковызеется =Rj"?a переколов с ниэколевавдх уровней. При текпературозг «иез 1500 X ллиныэ о «зогжжэиия на всех Дюшвх волн весьма Зліізки иеаду собой, что roest быть объяснено либо особенностью структуры эппреигнкоЯ полосы (*Bi-X*x:), лийо преобладанием рэлгевского рассеяния.
Следующая серия зкспериневтов была посвякена изучен»*-! неханизма экгргооЗмвна излучаюоего терна<*3а>процессе термической диссоциации одкокоппонентного СО* за уяарныии волнами , при теппсратурах 250О-40О0 X и язвлениях 10-30 атн, Полученные результаты определяли, что температуры эсех колгбатель.нь« уровней основного элехтро-чйсго состояния xoposo "oTCJK!SE!aa»T" измеигэнмэ поступательной температуры газа о процессе диссоциации, меняясь от Ті, соответстиуЕжіїй равиоэсснояу зоэйуагвин» колебаний и "занороотниоЯ" диссоциации, до Te
С02<Х*Г|) + СО» 71 С0а(*Ва) + СОз («J =s 3,3 зВ) , (19)
и процесса распада-рекокбинации: . .' .
р C0(2*S) * 0{*D) <&й й2їВ)
С0і(*Ва> ' kd . _ . (20)
>* С0»(вВэ) 71 С0<Х*Г) + 0(ВР) Аналнз ?йслврииеитая»я«к "яакигж, презгдешзі-й в ранках такого расеиотрепкя показал, что па ранняя ста/г:яз распада очрвлвляжяу» роль нгрввт акткяацяонпыЯ пеяаиязя, а по керэ прнбл!:^с»»я к pasHosscsia начяпзт преобладать ракекбинбЦ1!Ог;я:э 'процессы. В работе найдено соотносима неялукоястанто!) скорости распада- и сечениен тузепня состояния < 8г) t jid/e^r » З.З-ІО^вхрС-гіРСО/Т) (21) Поскольку зиергия активации распада состояния Вз оказалась близка к барьеру раэраеэииоЯ диссоциации с образованием нетастабильного кислорода 0(*D). в работе схеяан ва&ный зызод, о тон,что Mt?:swy различии»» электронио-зозбузденкмм.ч состояняякя СОя ., er\dtfg -*6 Рис. 9 Сводка .полученных данных "о тенпературных эавйсимостяк-оптических свойств СО» на различных длинах волн.1,2,3 - Х= 285±7нм,4.5- \=Э80±10нм,6- Л.=380±3,5нн,7,8,8- *=488±1.5нн Рнс.10 Изменение заселенностей оптически активных состояний ' ' СОгС' Вг , v5 в зависимости от интегральной температуры зас?лгчі'Я терна С te? -- — процессе диссоциация нет равновесия,, ток как известно, что сновной вклад распада идет с образованней атомов кислорода в сновнон состоянии SP . ся одна серия экспериментов была посвяйэнэ исследованию ункини распределения оптически активных молекул СО(*Ві) э еравновееко рекомбинируюгаей струе диссоциированного СОя. ймл квачен диапазон температур торяояення от 2Ь00 до 4600 К , давленні} оркокглізя от & до 35 ати . Все измерения бмяи проведаны в сноси ОЙСОг+ШЯ А г. Резг.оэ упеныгзлне скоростей интегральных реяонбинецйомнЬгс роаессоо по перо пфденип температуры и плотности в расаиря»зг»яся труйнон потоке лэвало оозмопмост&> при этих условиях іїсетаточмо вереико предполагать нгазиеяностг» состава газа, установивиегося сред началом истечения в ударной трубе . По даними знмесяскных изиерений в рекомбимннониой полосе есе другие процессы ( колебательная н электронная релакмичя, нергосбнен с другияя еозбуааенньии частицами) идут заявтно едленнее н не псказаот равновесие э реакции (22)- При эт'он нергия образующихся активных частиц долэта "быть ровнасумнарной кергк!! реагентов, т ,е. их , взаимной кинетической энергии и о.гебетелъиой энергии СО. Величина этой энергии > плюс анергия скоибниац'ии (5,43 эЭ для С0+О(9Р)> и составит полную »нерги» ктмаяьос нолгхуя относительно,основного состояния СО», В райках этого предпологания заселенности выделяемых в :кспррнкентая состояния п, иозно' связать с концентрациями еагентов СО и О и колебательным распре де деннеи л^ктронно-возбуггданиыя молекул СО - Tv, соотьояеяяем п? = ^__ сС0К0]охр<- ^21 (2^> Z(Tv) kTv де fees, - константа равновесия реакции (22). другой стороны анализ и обобщение зкеперикектальньк данных озволил получить эмпирическое соотношение тХ=-тї)1,->:10-*ІС0]і0уб-ехріЦЩ (24) по виді' весьма близкое к (23) отвечающему сформулированному выше простейшему механизму формирования функции распределения оптически активных молекул. На рис ДО экспериментальна данные о заселенности* энергетических состояний n , п и п представленные а « . * * * в координатах lnt ?c0if6v = ^Твї^ сопоставлены с расчетами по уравнению (23). Согласие нежду экспериментальными точками и расчетами не только подтверждает применимость предложенного неханиэма, но и позволяет уточнить его некоторые количественные характеристиці.. В частности, в диссертации уточнена энергия основного кочебательного уровня состояния с'ВїЗ СО*, которая составила: «оС'ВО = 5,66 ± 0,08 эВ.
0s были определены зеселенпости раэлн*:я(3( энйргетнчаекмя
остояний оптически активного терма *Ва. При аяаяиэе полученных
яннж был рассмотрен следуащий неханиэи формирования функции
аспреяглеиня оптически активных иолекул, предполагаюеий, что
спозныа йеяа'шзпоп их заседания является двухстздийный процесс:
С0(ъ) + 0(ЭР) ^. С0*(эВ») Tt СОг('Ва) (22)Похожие диссертации на Исследование кинетики неравновесных процессов в импульсных струях продуктов сгорания
