Введение к работе
Актуальность темы. Работа является актуальной ввиду необходимости учета эффектов поступательной неравновесности при проведении экспериментов в ударных трубах по определению констант скоростей активированных химических реакций. В частности, учет поступательной неравновесности может оказаться важным при экспериментальном определении времен задержек воспламенения (ЗВ) горючих смесей и времен индукции процессов кластерообразования за ударными волнами. Такие эксперименты являются одними из основных источников информации о константах скоростей химических реакций.
Цель работы заключается в том, чтобы заполнить существующие аналитические «пробелы» и сделать более определенными выводы о существовании и необходимости учета поступательно-неравновесных эффектов.
Научная новизна
- доказывается, что бимодальное распределение в ударной волне, примененное к вычислению скоростей неупругих активированных процессов, неизбежно приводит к максимумам:
1) в относительной величине поступательно неравновесной функции распределения пар высокоскоростных молекул при нормировании на соответствующее поступательно равновесное (максвелловское) значение этой функции за ударной волной.
2) в относительных величинах констант скоростей поступательно неравновесных пороговых химических реакций при нормировании на соответствующие поступательно равновесные (аррениусовские) значения этих констант за ударной волной.
- получено явное аналитическое представление бимодальной функции распределения пар молекул, учитывающее анизотропию поля температур внутри фронта ударной волны.
- найдены аналитические выражения для величин скоростей поступательно неравновесных высокопороговых неупругих соударений.
- в качестве приложения представленной в работе теории исследовано влияние поступательной неравновесности внутри фронта ударной волны на начальной стадии ряда процессов пиролиза.
Практическая значимость. Явление пороговой поступательной неравновесности может определять начальную стадию многих активированных физико-химических процессов, к которым относятся: электронное возбуждение, ионизация, диссоциация многоатомных молекул, пиролиз. Ускорение процессов энергообмена в эффектах поступательной неравновесности в ударных волнах может оказаться существенным при решении проблемы управляемого термоядерного синтеза. Наработка активных центров (радикалов) в зоне фронта ударной волны в силу эффекта поступательной неравновесности может значительно (на порядки величин) превысить аналогичную величину в поступательно равновесном состоянии за волной. Особенно сильно скажется это явление на протекании химических реакций, имеющих цепной характер. Определив основные свойства влияния поступательной неравновесности на величину времени индукции активированного химического процесса, можно, изменяя его, управлять этим процессом. Поэтому рекомендации по учету рассматриваемого эффекта имеют несомненную научную и практическую значимость.
Достоверность и согласованность полученных в работе результатов с известными ранее подтверждается совпадением с ними в известных случаях, а также фундаментальным обоснованием справедливости бимодального распределения внутри ударной волны, основывающимся на результатах практически всех известных применений методов прямого статистического моделирования Монте-Карло к решению задачи о структуре ударной волны (в том числе на уровне функций распределения пар молекул).
На защиту выносятся следующие основные положения:
-
Доказательство существования и вычисление абсолютного максимума в значении отношения поступательно-неравновесной и равновесной функций пар молекул в ударной волне.
-
Аналитическое представление функции распределения пар молекул в бинарной смеси газов, учитывающее анизотропию поля кинетических температур в ударной волне.
-
Аналитическое представление констант скоростей высокопороговых поступательно неравновесных химических реакций.
-
Рекомендации по учету эффектов поступательной неравновесности в ударных волнах в различных практических приложениях.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 51-ой, 52-ой, 53-ей и 54-ой регулярных ежегодных научных конференциях МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук», на которых дважды отмечались дипломами в 2008-2011г.; на Международном регулярном научном семинаре «Поляховские чтения», 2009, 2012 г., СПбГУ.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 работ, из них 5 статей, в том числе 5 статей в рецензируемых журналах по перечню ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Материал изложен на 90 страницах машинописного текста, включая 5 иллюстраций, 95 библиографических наименований.
