Радиационно-столкновительные модели в задачах расчета интенсивности излучения ударных волн

— 48.2. Определение параметров разрядной плазмы.119.

8.3. Расчеты интенсивности излучения.120.

8.4. Выводы.123.

Заключение

125.

Литература

127.

ПРИЛОЖЕНИЯ.139.

Приложение А.140.

Актуальность. С развитием и распространением в последнее десятилетие оптической диагностической техники (ЮСБ-камеры, высокоскоростные камеры) во многих лабораториях мира продолжились на новом этапе систематические исследования в области регистрации излучения газов, нагретых ударными волнами. В этих исследованиях измеряются излучательные характеристики ударных волн, создаваемых в широком диапазоне параметров и распространяющихся по газовым смесям различного химического состава.

Для описания результатов этих экспериментов необходимо привлечение различных физико-химических и кинетических моделей в силу многообразия явлений, протекающих за фронтом ударной волны. Среди этих явлений такие как: колебательная релаксациянеравновесная диссоциация, а так же другие химические превращенияионизация и неравновесное возбуждение излучающих электронных состояний молекул, атомов и ионов. При этом, в силу высокой чувствительности исследуемой величины к каждой составляющей, возможна не только отработка моделей отдельных элементарных процессов, но и тестирование того, как эти модели взаимодействуют друг с другом.

Комплексное расчетно-экспериментальное исследование проблемы излучения ударных волн позволит не только лучше понять структуру релаксационной зоны за фронтом' ударной волны, но и выработать рекомендации для инженеров, выполняющих сложные газодинамические расчеты в области оценки конвективных и радиационных тепловых потоков к поверхности спускаемых космических аппаратов нового поколения, создаваемых в настоящее время. Таким образом, построение и тестирование моделей для описания излучения газов, нагретых ударной волной, является актуальной фундаментальной и прикладной задачей.

Цель работы заключается в разработке и тестировании расчетно-теоретической модели для описания излучения ударных волн, путем сравнения с соответствующими современными экспериментальными данными, а так же в выполнении численных исследований влияния различных составляющих модели на исследуемую величину.

Основные задачи исследования:

1. Разработка расчетно-теоретической электронной радиационно-столкновительной модели для расчета излучения, испущенного в релаксационной зоне за фронтом ударной волны;

2. Разработка приближенной ab-initio квантовомеханической методики для расчета констант скоростей возбуждения электронных состояний двухатомных молекул и их ионов электронным ударом. Формулировка кинетического механизма заселения излучающих электронных состояний этих частиц;

3. Применение разработанной модели для описания современных экспериментов по регистрации излучения газов, нагретых ударной волной, анализ расхождений между расчетными и экспериментальными данными. Численное исследование влияния различных компонентов созданной модели на величину излучения, испущенную за фронтом ударной волны;

4. Исследование возможности использования плазмы тлеющего разряда для лабораторного моделирования неравновесного излучения ударных волн.

Научная новизна работы заключаются в следующем:

1. Разработана расчетно-теоретическая модель сильных ударных волн (скорость ударной волны Vs/} ~ 4−8 км/с), в которой учитываются процессы физико-химической кинетики, возбуждения электронных состояний частиц и неравновесное излучение из релаксационной зоны. Показана применимость модели для атмосферных газов Земли и Марса в условиях экспериментов, выполненных в 2010;2012 гг. в НИИ Механики МГУ и научном центре NASA (NASA Ames);

— 72. Разработана новая модель и выполнены расчеты констант скоростей возбуждения электронных состояний двухатомных молекул и ионов за фронтом ударной волны. Модель основана на использовании соотношений теории Бете-Борна (теория возмущения волновой механики применительно к задаче рассеяния) и результатов квантовомеханических расчетов коэффициентов Эйнштейна АУ>У". Дана формулировка кинетического механизма заселения электронно-возбужденных состояний (СЫ (А2П), СЫ (В21+), С2(с13П), СО (А'П), М)(А22+), М)(В2П), Ш (С2П), М2(А31), М2(В3П), К2(С3П), М2+(В2!)) В релаксационной зоне ударной волны;

3. С использованием разработанной физико-химической и радиационно-столкновительной модели получены данные по абсолютным величинам спектральной излучательной способности сильных ударных волн и закономерностям их изменения в зависимости от скорости ударной волны и давления исследуемого газа;

4. Выполнено систематическое исследование закономерностей изменения неравновесного излучения сильных ударных волн в атмосферах газов N2−02, С02-К2 и СН4-Ы2 применительно к условиям выполненных экспериментов на ударных трубах;

5. Выполнено исследование по лабораторному моделированию неравновесного излучения сильных ударных волн посредством контролируемого подбора параметров плазмы тлеющего разряда и решена двумерная задача о структуре соответствующего нормального тлеющего разряда.

Основными защищаемыми положениями и результатами являются:

1. Результаты расчетно-теоретических исследований по абсолютным величинам спектральной интенсивности неравновесного излучения сильных ударных волн в газовых смесях 1Ч2−02, С02−1М2 и СН4-]12.

2. Применение разработанной модели для обработки результатов современных ударноволновых экспериментов по регистрации излучения различных газовых смесей в широком диапазоне параметров. Сравнение расчетных и экспериментальных данных в абсолютных единицах, анализ расхождений;

3. Количественная оценка влияния различных факторов и упрощающих предположений на точность результатов, получаемых с использованием предложенной модели;

4. Приближенная ab-initio квантовомеханическая методика для расчета констант скоростей возбуждения электронно-колебательных и электронных состояний двухатомных молекул и ионов электронным ударом.

Практическая значимость. Построенная в работе модель, а так же сформулированные механизмы кинетики возбуждения могут быть использованы при расчетах излучения ударных волн или при расчетах радиационных тепловых потоков к поверхности спускаемых космических аппаратов. Описанные расчетные методы могут быть использованы для выполнения расчетов химической кинетики. Выполненные оценки влияния различных факторов на точность предсказания излучательных характеристик ударнонагретрых газов позволяют получить представление о типичной точности соответствующих расчетов, выполняемых в настоящее время.

Научные исследования, проведенные в диссертационной работе, осуществлялись в рамках проектов РФФИ № 10−01−544, 10−01−468-а, 11−08−12 072;офи-м, 09−08−272афедеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» 2010;1.1−112−024−055- 7ой Европейской рамочной программы (FP7/2007;2013) грант № 242 311 и программы фундаментальных исследований Российской Академии Наук.

Достоверность результатов диссертации подтверждается физической обоснованностью постановок задач и строгим аналитическим характером их рассмотрения с применением современных теоретических концепций и математических средств физической и химической механики, сравнением собственных численных результатов с расчетами других авторов, а так же соответствием расчетных и экспериментальных данных.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на всероссийских и международных профильных научных конференциях и семинарах:

1. International School of Quantum Electronics, 53rd Course Molecular Physics and Plasmas in Hypersonics, Ettore Majorana Centre, Erice, Sicily (Italy), 8−15 September 2012.

2. 44th AIAA Thermophysics Conference, 24 — 27 June 2013, San Diego, California.

3. 50th AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition, 09−12 January 2012, Nashville, Tennessee.

4. 41st AIAA Plasmadynamics and Laser conference, 28 June — 1 July 2010, Chicago, Illinois.

5. 4th International Workshop on Radiation of High Temperature Gases in Atmospheric Entry. Lausanne, Switzerland, 12−15 October, 2010.

6. Семинар «Физико-химическая кинетика в газовой динамике», НИИ Механики МГУ им. М. В. Ломоносова, Москва, 01.11.2012.

7. Всероссийская научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов «Новые решения и технологии в газотурбостроении», 58 октября, ЦИАМ, Москва, 2010.

8. XVIII Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством акад. РАН А. И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в новых энергетических технологиях».

9. Международный симпозиум по радиационной плазмодинамике, Москва, Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана, 2012 г.

— 1010. Школа-семинар «Аэрофизика и физическая механика классических и квантовых систем» (АФМ), Москва, Институт проблем механики им. А. Ю. Ишлинского РАН, 2008;2012;

11. Научная конференция МФТИ, Москва-Долгопрудный, Московский Физико-Технический Институт, 2011;2012 гг;

12. Научный семинар профессора В. В. Лунева в ЦНИИМАШ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 статей, 2 препринта и.

8 тезисов международных и всероссийских конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 140 страниц, включая 64 рисунка и 10 таблиц.

Список литературы

содержит 124 наименования.

Основные результаты исследований, выполненных в диссертационной работе, сводятся к следующему:

1. Разработана расчетно-теоретическая модель сильных ударных волн (скорость ударной волны Vsh ~ 4−8 км/с), в которой учитываются процессы физико-химической кинетики, возбуждения электронных состояний частиц и неравновесное излучение из релаксационной зоны. Показана применимость модели для атмосферных газов Земли и Марса в условиях экспериментов, выполненных в 2010;2012 гг. в НИИ Механики МГУ и научном центре NASA (NASA Ames);

2. Разработана новая модель и выполнены расчеты констант скоростей возбуждения электронных состояний двухатомных молекул и ионов за фронтом ударной волны. Модель основана на использовании соотношений теории Бете-Борна (теория возмущения волновой механики применительно к задаче рассеяния) и результатов квантовомеханических расчетов коэффициентов Эйнштейна Avv-Дана формулировка кинетического механизма заселения электронно-возбужденных состояний (CN (A2n), CN (B2E+), С2(с13П), СО (А1П), NO (A2E+), NO (B2n), NO (C2n), N2(A3?), N2(B3n), N2(C3n), N2+(B2S)) в релаксационной зоне ударной волны;

3. С использованием разработанной физико-химической и радиационно-столкновительной модели получены данные по абсолютным величинам спектральной излучательной способности сильных ударных волн и закономерностям их изменения в зависимости от скорости ударной волны и давления исследуемого газа;

4. Выполнено систематическое исследование закономерностей изменения неравновесного излучения сильных ударных волн в атмосферах газов N2−02, C02-N2 и CHrN2 применительно к условиям выполненных экспериментов на ударных трубах;

— 1265. Выполнено исследование по лабораторному моделированию неравновесного излучения, сильных ударных волн посредством контролируемого подбора параметров плазмы тлеющего разряда и решена двумерная задача о структуре соответствующего нормального тлеющего разряда.

Автор выражает благодарность научному руководителю, д.ф.-м.н., проф., чл,-корр. РАН С. Т. Суржикову, за постоянное внимание, ценные советы и большую помощь в подготовке работы. Так же автор выражает признательность коллективу лаборатории Кинетических процессов в газах НИИ Механики МГУ им. М. В. Ломоносова, в частности Козлову П. В., Шаталову О. П., Романенко Ю. В., за постоянное внимание, ценные замечания и обсуждение результатов. Автор благодарит коллектив лаборатории Радиационной газовой динамики Института Проблем Механики им. А. Ю. Ишлинского РАН за многолетнее сотрудничество, плодотворные обсуждения и полезные замечания, сделанные при подготовке диссертации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.