Введение к работе
Актуальность теин. Неравновесность внутренних степеней своїм частиц при протекании физико-химических процессов в газе и і взаимодействии газа с поверхностью представляет существенный 'ерес для газовой динамики и физики и химии низкотемпературной омы, что связано с развитием ракетно-космической техники, ізмохимии, повышенным интересом к экологическим проблемам.
Эта тема научных исследований стала особенно актуальной в леднее время в связи с необходимостью определения азродина-еских характеристик и тепловых потоков к поверхности косми-ких аппаратов типа "Буран" и проектируемого в нестоящее вре-мелсорбитального корабля с аэродинамическим торможением [I]. т конечной скорости протекания физико-химических процессов азе и на поверхности необходим и для расчета теплообмена в ораторных экспериментах, моделирующих условия полета аппа-ов в верхней атмосфере.
При обтекании тела сверхзвуковым потоком газа значительная ть тепловой энергии газа за головной ударной волной высокой снсивности переходит в энергию диссоциации и ионизации. В бо-холодной области, вблизи поверхности твердого тела, энергия азования атомов и ионов мелет возвращаться обратно в поступа-ьные степени свободы при протекании реакций газофазной роком-ации или непосредственно передаваться поверхности тела при гетерогенной рекомбинации атомов.
В условиях, когда характерные газодинамические времена вкания сравнимы с характерными временами ионизации, днесоци-II или рекомбинации, тепловой поток к поверхности будет суще-энно зависеть от протекания указанных физико-химических промов [2].
Реакции диссоациации и рекомбинации'протекают миогостадий-с участием молекул в электронно- и колебателъно-возбузден-состсяниях [3J. Поэтому конечное время релаксации этих гренних степеней свободы может оказывать не менее сущесТвеи-влияняе на процессы теплопереноса в условиях сверхзвуково-эбтекпния.
В настоящее время неравновесна! релаксацій внутренних сто-гй свободы при сверхзвуковом обтекании тел интенсивно несложен в следующих двух областях ударного слоя перед телом: ї горячей (Т>10000 К) области за головной ударной волной, существенны процессы диссоциациимолекуя, я б) в бола хс—
лоднс-й (Т< 5000 К) области пограничного слоя вблизи поверхности тела, где существенны процессы рекомбинации атомов. Как показано в работах [1,4,5] в горячей области за головной ударной волной учет релаксации колебательной энергии приводит к замедлению скорости диссоциации молекул и, следовательно, к повышению температуры газа и теплового потока к поверхности. Основные трудности при изучении данного вопроса - отсутствие надежных экспериментал ных и теоретических данных о константах и механизмах диссоциации и колебательной релаксации при температурах Т >10000 К.
Для области пограничного слоя в работах [6,7] исследуется вопрос о влиянии на теплопередачу к поверхности образования при гетерогенной рекомбинации атомов электронно-возбужденных молекул азота и кислорода. В этих работах исследование кинетики образов* ния и гибели электронно-возбужденных частиц ограничивается только рассмотрением по отдельности систем частично диссоциированного азота и кислорода в узком диапазоне условий обтекания. Кроме того, не учитывается образование, релаксация и влияние на кинетику реакций колебательно-возбужденных молекул.
Таким образом, вопрос о механизме релаксации внутренней анергии образовавшихся при рекомбинации молекул в холодной облас ти пограничного слоя и связанном с этим изменении теплового пот< ка к поверхности, остается актуальным и требует дальнейшего исследования.
Цель работы:
-
Разработка полной кинетической схемы физико-химических превращений в газе и на поверхности при сверхзвуковом обтекании тел воздухом с учетом образования и гибели электронно- и колебательно-возбужденных частиц.
-
Проведение численних расчетов теплопередачи к поверхности тел с учетом релаксации внутренней энергии молекул в широком диапазоне условий сверхзвукового обтекания.
-
Выделение основных физико-химических процессов и построение упрощенных моделей релаксации внутренней энергии частиц длі расчета тепловых потоков при сверхзвуковом обтекании тел воздухом и его компонентами.
Научная новизна. Проведежа теоретическая интерпре-
тация процессов релаксации электронно-возбужденных частиц в воздухе. Для объяснения ряда процессов тушения злектронно-возбуждеї ных частиц предложен новый механизм с неадиабатическими переході ми в области слабого обменного взаимодействия реагентов.
Разработана кинетическая схема физико-химических процессов частично диссоциированном воздухе с учетом образования я гибо-электронно- и колебательно-возбужденных частиц п газовой фазо на поверхности.
Предложены численный метод расчета поуровневой кішетикп я хроскопнческая модель релаксации колебательнэ-возбуядвнных мо-сул в окрестности критической точки обтекаемых эатуплегапя тел.
Разработан метод расчета скорости диссоциации-рекомбинации і существенно неравновесном распределении молекул по колебатоль-t уровням.
Проведены численные расчеты теплового потока к поверхности гатолъных аппаратов и лабораторных моделей с учетом образования таксации электронно- и колебательно-возбужденных частиц з ши-:см диапазоне условий обтекания.
Практическая ценность. Построенные корреляционные диаграмма іерхностей потенциальной энергии и теоретическая интерпретация іцессов релаксации электронно- и иолебательно-возбуяденннх тиц позволяют объяснить и предсказать скорости и продукты ре-;ий тушения в широком диапазоне температур. іСромо неравновес-еэродкномикн это представляет значительный интерес также для зга атмосферы и для физики и химии низкотемпературной плазмы, поденные результаты и методы расчетов теплового потока иогуг ь использованы при выборе условия полета космических алпара-и при интерпретации лабораторных экспериментов с сверхзвуко-обтвкяннем тел. Разработанные методы учета релаксации внут-ней онергяя могут бить полезны Tascse при исследовании нерав-ееных процессов в других физических системах с различной га-кнамаческой картиной течения (сопла, ударные волны, МГД-гене-ор и др.).
Апробация работы. Основные результаты диссертации доклодава-ь на научно-технических конференциях ІІФТИ в 198511990 г., па Зсозрээной конференции "Кинетические и газодинамические про-:ы в неравновесных средах" Шраснсвидово, 1988 г.), на Ш Всо-шом совещании "Вопросы физики и газодинамики ударных волн" ІЛ9ДЛВ0СТ0Я, 1989 г.), на IX Всесоюзном симпозиуме по горсняо грызу (г.Суздаль, 1989 г.), на У Всесоюзной школо-сеииоро (ременные проблемы жидкости и газа" (г.Иркутск, 1990 р.), на таре по физико-химической газовой динамике под руководством асесора Г.А.Тирского. Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных ра-
бот, список которых приведен в конце автореферата..
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введ лия, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы из 2 накыенований. Содержит /43 страниц машинописного текста, 37 рисунков и 24 таблиц, всего -'Ц$ страниц.
