Экспериментальное и теоретическое исследование кинетических процессов в газахНИР

Experimental and theoretical study of kinetic processes in gases

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Экспериментальное и теоретическое исследование кинетических процессов в газах
Результаты этапа: I. Экспериментальные исследования спектральных характеристик ударно нагретых газов за фронтом ударной волны на экспериментальном комплексе "Ударная труба" НИИ механики МГУ Получены экспериментальные данные по временной эволюции сечения поглощения излучения за фронтом ударной волны в диапазоне скоростей от 5 до 6 км/с при начальном давлении 1 Торр в области вакуумного ультрафиолета для молекулярного кислорода в системе полос Шуман-Рунге за фронтом ударной волны и молекулярного азота в системе полос Хопфилда-Берджа. Проведены исследования по измерению временной эволюции излучения в области вакуумного ультрафиолета за фронтом ударной волны для воздуха в диапазоне длин волн 160 - 215 нм для скоростей 5-8 км/с и начальном давлении 1 Торр, а также азота в спектральном диапазоне 120-180 нм для скоростей 4.5-8 км/с и начальном давлении 0.5-2.5 Торр. Проведены экспериментальные исследования начального этапа (до начала лавинообразной ионизации) временной эволюции излучения ударно нагретого аргона. Экспериментально показано, что до начала лавинообразной ионизации аргона в диапазоне скоростей 8 11.4 км/с излучение регистрируется для переходов 4p-4s и отсутствует для переходов 5p-4s и 5d-4s. Предложена упрощенная модель для описания данного начального этапа, проведены предварительные расчеты. II. Численный анализ детонационного горения в силовых установках На основе анализа энергетической эффективности различных режимов горения уточнены выводы академика Я.Б. Зельдовича по вопросу о целесообразности использования детонационного горения в силовых установках. Показано, что обычное горение при постоянном объеме, как правило, энергетически более эффективно, чем детонационное. Численно показана возможность стабилизации детонационного горения водородовоздушных смесей, поступающих в осесимметричное конвергентно-дивергентное сопле с гиперзвуковой скоростью на высотах от 24 до 30 км. Определена общая для этих высот конфигурация осесимметричного конвергентно-дивергентного сопла с центральным коаксиальным телом, обеспечивающая генерацию тяги с удельным импульсом порядка 1000 секунд. Построена и протестирована на имеющихся экспериментальных данных редуцированная кинетическая модель воспламенения и горения бензина применительно к детонационному горению в сопловых каналах. III. Моделирование процесса испарения капель различных жидкостей, помещенных в парогазовую среду с учетом корректных граничных условий на поверхностях испарения. Предложен подход позволяющий использовать единый вычислительный алгоритм при исследовании процессов тепломассопереноса в задачах с испарением и конденсацией. Данный подход базируется на решении кинетического уравнения Больцмана в области жидкости, пара и переходном слое с учетом особенностей межмолекулярного взаимодействия между молекулами пара и конденсированной фазы. Предложенный подход был применен к исследованию задачи об испарении-конденсации аргона. Получены распределения макропараметров в разные моменты времени. Результаты расчетов равнивались с результатами многомасштабного молекулярно-динамического моделирования. Показано, что функция распределения в паровой фазе может быть асимметричной, что указывает на неравновесность процессов тепломассопереноса в таких задачах. IV. Моделирование реакций методами квантовой механики. Механизм обменных реакций, протекающих в условиях входа в атмосферу Марса, был исследован на основе DFT моделирования. В результате расчета поверхности потенциальной энергии для рассматриваемой системы были найдены пути реакций, переходные состояния, промежуточные комплексы и соответствующие им частоты колебаний и энергетические характеристики. Показано, что механизмы всех реакций являются многоступенчатыми, и идут через образование нескольких последовательных промежуточных комплексов. Рассчитаны константы скорости исследуемых реакций в широком диапазоне температур и проведено их сравнение с имеющимися экспериментальными данными. Разработана кинетическая схема образования молекул NO в основном и возбужденных состояниях при взаимодействии диссоциированного воздуха с поверхностью бета-кристобалита (SiO2). Построена кластерная модель бета-кристобалита, учитывающая различные активные центры физической и химической адсорбции. Проведены квантово-механические расчеты поверхности потенциальной энергии для моделирования различных процессов на поверхности SiO2- адсорбция/десорбция атомов и молекул (N, O, NO, N2, O2), ударная и ассоциативная рекомбинация и получены константы скоростей для всех рассматриваемых процессов.
2 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Экспериментальное и теоретическое исследование кинетических процессов в газах
Результаты этапа: I. Экспериментальные исследования спектральных характеристик ударно нагретых газов за фронтом ударной волны на экспериментальном комплексе "Ударная труба" НИИ механики МГУ Проведены экспериментальные исследования спектральных характеристик атомарных линий азота, кислорода и молекул N2 и N2+ в ударно нагретом воздухе при скоростях 5-11 км/с и диапазоне начальных давлений 0.1 – 0.25 Торр. Выполнено исследование спектров и кинетики процессов излучения воздуха в области вакуумного ультрафиолета за фронтом ударной волны. Результаты представлены в абсолютных единицах. Для этого была проведена предварительная калибровка оптической системы путем сравнения с эталонными источниками излучения. Проведены по измерение концентрации электронов за фронтом УВ в воздухе и аргоне. Представлены результаты экспериментального исследования начального этапа неравновесного излучения чистого аргона, а также в смесях c небольшим добавлением азота и кислорода за фронтом ударной волны в диапазоне начальных давлений 0.25-5.0 Торр и широком диапазоне скоростей ударной волны. Обнаружена немонотонность излучения атомарной линии на данном этапе. Экспериментально показано, что немонотонный характер излучения на данном этапе зависит от длины волны наблюдаемого излучения. Предложена упрощенная модель для расчета интенсивности излучения атомарных линий за фронтом ударной волны. Показано, что основное влияние на характер эволюции аргона на начальном этапе оказывает учет электронного газа, образующегося в результате ступенчатой ионизации Предложен метод, основанный на прямом численном решении системы кинетических уравнений Больцмана для двух и трех компонентных смесей с учетом сечений столкновений частиц, зависящих от скорости для расчета степени ионизации ударно нагретого аргона. Получены тестовые результаты. Разработана методика одновременного расчёта газодинамического поля и излучения в методе прямого статистического моделирования Монте-Карло (ПСМ). II. Экспериментальные исследования времени задержки воспламенения углеводородов на экспериментальном комплексе "Ударная труба" НИИ механики МГУ Проведена модернизация ударной трубы метрологической УТМ для исследования задержек времени воспламенения в многокомпонентных смесей углеводородов в отраженной ударной воне для давлений до 60 атм и температур в диапазоне 1000-2000К. Получены экспериментальные данные по временам задержки воспламенения в стехиометрической пропано-воздушной смеси. Эксперименты проводились на ударной трубе в интервале температур за фронтом отраженной ударной волны от 1065 до 1595 K при давлениях от 23 до 33 атм. Представлено сравнение полученных данных с результатами других измерений и данными кинетических расчетов. III. Численный анализ процессов горения в силовых установках На основе экспериментальных исследований процессов в камере высокого давления (КВД) ударной трубы, а также варьировании параметров КВД состав гремучей смеси, толщины диафрагмы, начального давления и т. д.), разработан способ генерации высокоскоростных ударных волн (вплоть до второй космической скорости), основанный на увеличение эффективности сгорания в камере высокого давления. В рамках классической теории выполнено сравнение энергетической эффективности детонационного и дефлаграционного горения водородовоздушной смеси в ГПВРД. В отличие от ранее выполненных исследований наряду с горением при постоянном давлении рассматривается предельный режим слабой дефлаграции, соответствующий нижней точке Жуге на адиабате с тепловыделением. Показано, что по энергетической эффективности предельная дефлаграция в стехиометрической водородовоздушной смеси, как и горение при постоянном давлении, превосходит детонацию. Это преимущество сохраняется с высотой, однако уменьшается с ростом числа Маха набегающего потока. Однако одномерная теория приводит к сомнительным рекомендациям по форме диффузора для ГПВРД, в частности, из-за трудности запуска двигателя в сверхзвуковом потоке. Полученный результат в большей степени относится к дефлаграционному горению. В сопле приемлемой геометрии по результатам численного моделирования установлено, что энергетическая эффективность детонационного горения падает с ростом высоты и числа Маха набегающего потока. Так энергетическая эффективность детонационного горения в сопле Лаваля с расширением 10.7 на высоте порядка 40 км составляет лишь 11.7 % при числе Маха набегающего потока M0 = 7 и падает до 5.4 % при M0 = 9. Поведен сравнительный анализ детонационного горения паров керосина и бензина в сопле Лаваля. Показана возможность стабилизации детонационного горения керосина при числе Маха набегающего потока 7 и 9 с генерацией тяги. Тяга, полученная на парах бензина, не компенсирует аэродинамическое сопротивление сопла и центрального тела из-за того, что небольшая часть смеси сгорает в детонационном режиме за отошедшей ударной волной перед торцевой стенкой центрального тела. Предложена и численно исследована схема прямоточного сверхзвукового воздушно-реактивного двигателя, камера сгорания которого расположена за торцевой стенкой кормы летательного аппарата. Проводится численный эксперимент по моделированию горения водорода на высоте 16 км при полетном числе Маха равном 9. Показано, что в предлагаемой схеме двигателя реализуется диффузионное горение. На высоте 16 км при полетном числе Маха равном 9 предлагаемая установка в разы превосходит ПВРД на детонационном горении по энергетической эффективности, удельной тяге и импульсу. IV. Теоретическое исследование проблем утилизации отходов Проведено исследование процесса пиролиза различных видов нефтесодержащих отходов с целью оценки возможности извлечения жидких продуктов. Проведены предварительный и окончательный анализ сырья, а также его термогравиметрическое исследование. Данные по выходу продуктов пиролиза получены в ретортной системе с неподвижным слоем в зависимости от температуры процесса. Полученные продукты пиролиза нефтесодержащих отходов исследованы для составления баланса элементов. На базе программного комплекса TETRAN-PRO иCOND-KINET-1 проведено численное моделирование образования по конденсационному механизму экологически опасных субмикронных частиц при сжигании углей. Получены данные по концентрации и распределению по размерам образующихся частиц. Проведено сопоставление расчетных и экспериментальных данных по фракционному составу частиц. V. Моделирование процесса испарения капель различных жидкостей, помещенных в парогазовую среду с учетом корректных граничных условий на поверхностях испарения. На базе решения кинетического уравнения для функции распределения капель по размерам и температурам выполнено численное исследование динамики поведения аэрозоля в области низкого давления. Получены временные зависимости числовой плотности, объемной доли и среднего размера капель для аэрозоля состоящего из капель жидкого кислорода. Показало, что в начале исследуемого процесса температура капель быстро падает ниже температуры насыщения при давлении в исследуемой области вследствие интенсивного испарения, а затем растет вследствие конденсации на поверхности капель и притока более горячих капель. Показано, что объемная доля и средний радиус изменяются немонотонно, а числовая плотность капель возрастает на протяжении всего времени. На основе проведенных расчетов показано, что для рассматриваемых исходных данных учет распределения капель по температурам избыточен, так как время, за которое температура значительной части капель выравнивается, много меньше продолжительности всего процесса. Исследован процесс взрывного вскипания одиночной капли перегретой жидкости с помощью применения классической теории гомогенной нуклеации. Предложен критерий, для оценки время жизни капель до момента взрывного разрушения. Выполнены расчеты времени жизни капель кислорода, имеющих различные размеры и перегрев. Показано, что процессы тепло- и массообменная на внешние границы капли слабо влияют на время жизни капли. Разработана расчетная модель процесса испарения капель морской воды применительно к моделированию ослабления излучения огня завесой из капель морской воды разного диаметра. Рассмотрена задача о стабилизации капельного водяного кластера. На основе разработанной модели неустановившегося теплообмена, учитывающей тепловое воздействие инфракрасного излучения, динамику совместного процесса испарения и конденсации, а также конвективный теплообмен с окружающим влажным воздухом, получены простые аналитические соотношения для параметров асимптотического равновесия малых капель. Численные данные по изменению во времени размера кластерных капель, обтекаемых смесью воздуха и пересыщенного водяного пара, хорошо согласуются с результатами лабораторных измерений. Предложенный подход применен к задаче моделирование испарения капель воды применительно к выживанию переносимых по воздуху вирусов. Результаты расчетов показали, что при небольших и даже умеренно высоких уровнях относительной влажности микрокапли испаряются в течение нескольких десятков секунд, причем конвективный тепловой поток из воздуха является доминирующим механизмом в каждом случае. VI. Моделирование реакций методами квантовой механики. Проведено исследование процессов адсорбции, десорбции и рекомбинации атомов N и O на поверхностях теплозащитных материалов SiO2 и SiC методами квантовой механики в рамках теории функционала плотности DFT (Х3LYP/cc-pVTZ). Для описания гетерогенных процессов использовался кластерный подход, в котором поверхность кристаллов SiO2 и SiC моделировалась различными кластерами, передающими стехиометрию кристалла и валентные состояния атомов, лежащих на верхнем слое. В ходе расчетов были определены ключевые структурные и энергетические характеристики молекулярных систем, описывающих взаимодействия атомов N и O с кремне содержащими поверхностями. В рамках метода переходного состояния с использованием квазистационарного приближения были рассчитаны константы скорости для процессов адсорбции и десорбции атомов N, O и молекул N2, O2, NO, а также ударной рекомбинации атомов N, O на рассматриваемых поверхностях в широком диапазоне температур 500-2200 K. Полученные константы скорости аппроксимированы обобщенной формулой Аррениуса. Таким образом, построена замкнутая кинетическая модель для исследования высокотемпературных физико-химических процессов, протекающих на поверхности тепловой защиты космических и гиперзвуковых летательных аппаратов на основе SiO2 и SiC
3 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Экспериментальное и теоретическое исследование кинетических процессов в газах
Результаты этапа: Проведена модернизация ударной трубы, входящей в состав экспериментального комплекса «Ударная труба» НИИ механики МГУ, позволившая существенно повысить повторяемость экспериментов, а также моделировать условия, соответствующие входу космических аппаратов в атмосферу различных планет со второй космической скоростью. Получены данные по излучению воздуха в ультрафиолетовой и видимой областях спектра при скорости ударной волны 11.4 км/с и начальном давлении газа перед ударной волной 33.25 Па; Получены результаты измерения радиационных характеристик ударно нагретой смеси CO2-N2, моделирующей атмосферу Марса для двух комбинаций начальных давлений и скоростей ударной волны: 5.4÷6.8 км/с при давлении 1.0 Торр и 5.3÷8.1 км/с при давлении 0.3 Торр, соответственно; Получены спектры излучения аргона за фронтом сильной ударной волны в диапазоне скоростей ударной волны 4.6 ÷ 8.3 км/с и давлений перед фронтом волны 0.25 ÷ 5 Торр. Проведены экспериментальные исследования по измерению времен задержки воспламенения в смесях пропан-кислород, сильно разбавленных аргоном. Измерения за фронтом отраженной ударной волны в интервале температур 1250 ÷ 1770 K при давлении 30 атм и коэффициентах избытка топлива 0.5, 1.0 и 2.0. Разработана новая упрощенная кинетическая модель горения керосина, которая может быть включена в комплексное моделирование различных газодинамических течений. Определена конфигурация осесимметричной сопловой камеры сгорания, обеспечивающей на высоте порядка 40 км при числах Маха набегающего потока 9 и 12 установившееся детонационное горение водородовоздушной смеси с коэффициентом полезного действия около 35% вместо максимальных 65%, соответствующих расчетам в рамках одномерной теории. Численно выполнено сравнение эффективности детонационного сжигания керосина в расширяющемся и конвергентно-дивергентном сопле по удельному импульсу и тяге при числах Маха набегающего потока 7 и 9. Проведено теоретическое исследование процессов тепло- и массопереноса, а также кинетики химических превращений при термической конверсии (пиролизе) органической массы осушенных иловых осадков в газообразное и жидкое топливо. Представлен краткий обзор теоретических и экспериментальных работ по испарению и конденсации однокомпонетных веществ, представлено сравнение с результатами расчетов. В рамках анализа процесса формирования капельного кластера проведено исследование влияния запыленности атмосферного воздуха на процесс образования и характеристики конденсационного аэрозоля. Предложена физическая модель и соответствующее математическое описание процесса объемного вскипания сжимаемой жидкости при истечении их короткого канала. Исследованы процессы адсорбции атомов N и O на поверхности теплозащитного материала SiO2 методами квантовой механики и молекулярной динамики. Проведено сравнение констант скоростей, рассчитанных методом молекулярной динамики, с величинами ранее полученными авторами по теории переходного состояния и известными феноменологическими моделями различных авторов. Рассмотрены начальные стадии самовоспламенения триэтилалюминия на основе кинетического механизма, предложенного ранее в Институте химической физики им.Н.Н.Семенова РАН. Показано, что приоритетным каналом распада комплекса триэтилалюминий-кислород является разрыв связи между атомами кислорода
4 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. Экспериментальное и теоретическое исследование кинетических процессов в газах
Результаты этапа: На ударных трубах, входящих в экспериментальный комплекс «Ударная труба», за счет оптимизации детонационного процесса в камере высокого давления впервые в мировой практике для установок подобного типа удалось достичь скорость ударной волны в воздухе, равную 11.4 км/с при начальном давлении газа 0.25 Торр. Измерительная аппаратура комплекса позволяет фиксировать временные спектрограммы излучения на различных длинах волн с временным разрешением порядка 50 нс, что является минимальным значением данного параметра, полученным как в нашей стране, так и за рубежом. Такое высокое разрешение играет важную роль при исследовании неравновесного излучения газа за фронтом ударной волны. Для получения результатов измерения в абсолютных величинах разработана методика калибровки системы регистрации излучения в спектральном диапазоне 120 185нм. Данная методика позволяет расширить диапазон получения экспериментальных данных на область вакуумного ультрафиолета. Данные эксперимента показывают, что мощность излучения из области вакуумного ультрафиолета может существенно превышать величину радиационных потоков из других областей спектра. Измерены радиационные характеристики ударно-нагретого аргона в диапазоне скоростей ударной волны 4.5-7.8 км/с при давлении газа перед фронтом ударной волны 0.25, 1.0 и 5.0 Торр. Получены интегральные по времени развертки излучения, а также временные зависимости интенсивности излучения ударно-нагретого аргона на длине волны 420 нм в абсолютных единицах. Представлены результаты прямого статистического моделирования Монте-Карло по описанию радиационно-химических процессов в аргоне за фронтом сильной ударной волны. Проведено сравнение экспериментальных и расчетных данных. Представлены экспериментальные данные по спектрам излучения кислорода за фронтом сильной ударной волны в диапазонах скоростей ударной волны 5.7–7.4 и 8.1–10.0 км/с при давлениях перед фронтом волны 1.0 и 0.25 Торр. Получены интегральные по времени развертки излучения в диапазоне спектра 200–675 нм, а также временные осциллограммы излучения кислорода. Анализ полученных панорамных спектров показывает, что при низких скоростях ударной волны в спектре излучения доминирует система молекулярных полос Шумана–Рунге. Повышение скорости ударной волны ведет к появлению в спектре излучения интенсивных атомных линий. Выделены особенности временных осциллограмм для наиболее типичных линий спектра – излучения молекулярного кислорода на длине волны 213 нм (система Шумана–Рунге) и атомарного кислорода на длинах волн 394 и 645 нм. Описана методика моделирования излучения ударно нагретого кислорода методом прямого статистического моделирования Монте-Карло с учетом скоростей химических реакций, возбуждения колебательных, вращательных и электронных степеней свободы молекул кислорода. Приведено сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными по измерению излучения ударно нагретого кислорода на ударной трубе НИИ Механики МГУ Представлены результаты измерения интегральных и временных спектральных характеристик ударно нагретого воздуха в интервале скоростей ударной волны от 7.5 до 11.4 км/с при давлении перед фронтом ударной волны p0 = 0.25 Торр. Исследован диапазон волн излучения  = 190-670 нм, соответствующий ультрафиолетовой и видимой областям спектра, в которых основной вклад в излучение дают молекулярные полосы. Проведен анализ полученных интегральных по времени спектрограмм излучения. Выделены особенности временных осциллограмм для наиболее типичных молекулярных линий спектра. Данные измерений сравниваются с экспериментальными данными других авторов. Получены новые экспериментальные данные по временам задержки воспламенения пропан-воздушной смеси. Измерения проводились в диапазоне температур 1050-1780 K при давлении 30 атм и различных значениях коэффициента избытка топлива [1]. Полученные данные являются оригинальными, так как имеющиеся данные по временам задержки воспламенения ограничены и относятся к давлениям менее 20 атм. Продемонстрирована возможность использования термоэлектрического детектора для измерения времени задержки воспламенения горючей смеси за фронтом отраженной ударной волны. В ходе экспериментов с пропан-воздушными смесями термоэлектрический детектор продемонстрировал способность регистрировать большие значения теплового потока, малую инерционность, высокое отношение сигнал/шум и высокое временное разрешение. Показано, что за счет более быстрого времени срабатывания использование датчика позволяет уточнить время задержки воспламенения смеси, а сам датчик может служить полезным прибором, позволяющим более детально изучать процессы воспламенения горючих смесей в ударных трубах. Численно показана возможность невынужденного инициирования стабильного детонационного горения паров керосина за наклонным ударным фронтом в сопле Лаваля с диффузором Буземана в высокоскоростном потоке воздуха в условиях атмосферы на высоте порядка 40 км. При числе Маха набегающего потока равном 9 сопло с диффузором Буземана обеспечивает тягу около 1.7 тонны и полетный КПД свыше 50%. Однако длина соответствующего диффузора может ограничивать его применимость. Центральное тело позволяет использовать В качестве альтернативы определена геометрия более коротких синусоидальных сопел с центральным телом, в которых тяга достигает 0.5 тонны при КПД около 40%. Разработана методика и реализован численный алгоритм расчета диффузора Буземана, обеспечивающего инициирование стабильного детонационного горения водородовоздушных смесей. Численно определены параметры осесимметричных конвергентно-дивергентных сопел с диффузором Буземана, которые в условиях атмосферного воздуха на высоте порядка 40 км при числе Маха набегающего воздушного потока равном 9 обеспечивают тягу свыше 0.4 тонн при КПД более 35%. На основе обобщенной схемы Годунова – Колгана второго порядка аппроксимации по пространственным переменным разработан численный метод моделирования течений вязкого газа в рамках уравнений движения Навье-Стокса. Для первичной валидации и верификации метода решена задача обтекания бесконечно тонкой теплоизолированной пластины дозвуковым, транс и сверхзвуковым потоком воздуха. Показано, что предлагаемый подход не вносит существенных осложнений в построение численного алгоритма по сравнению с расчетом течений невязкого газа. Результаты позволяют надеяться на приемлемость метода для решения широкого круга задач газовой динамики со сложной геометрией течения. В рамках моделирования процессов фазовыми превращениями представлен подход, позволяющий оценить необходимость учета/неучета процесса гомогенной нуклеации на течение пара, образовавшегося вблизи межфазной поверхности в результате испарения. Результаты показывают, что для воды учет процесса гомогенной нуклеации необходим только для степеней пересыщения больше 20 в отличие от испарения метанола, когда гомогенную нуклеацию необходимо учитывать при любых степенях пересыщения. Проведена адаптация метода МД моделирования для процессов с испарением/конденсацией. Результаты МД моделирования сравнивались с результатами моментного метода решения КУБ. Было обнаружено, что приближенная линейная теория достаточно точно описывает не только слабую конденсацию, но и применима к конденсации сверхзвуковых течений. Было получено простое соотношение, хорошо описывающее как дозвуковую, так и сверхзвуковую стационарную конденсацию Впервые предложен метод самостабилизации капельного кластера, левитирующего над локально нагретой поверхностью воды. Физический анализ задачи показывает, что желаемого результата можно достичь, растворив небольшое количество хлорида натрия в слое воды. Предсказанное явление наблюдалось экспериментально. Разработана замкнутая кинетическая модель взаимодействия диссоциированного воздуха с поверхностью теплозащитных материалов на основе кремния (SiO2 , SiC). Для описания гетерогенных процессов использовался кластерный подход, в котором поверхность кристаллического материала моделировалась кластером, передающим стехиометрию кристалла и валентные состояния, лежащих на поверхности атомов. Расчет поверхности потенциальной энергии проводился методом теории функционала электронной плотности (DFT) с расширенным гибридным функционалом, совмещенным с корреляционным функционалом Lee–Yang–Parr (X3LYP). В качестве базисных функций использовался корреляционно-согласованный поляризованный валентный трехэкспоненциальный базисный набор cc-pVTZ. Получены полные системы констант скоростей элементарных стадий - адсорбции/десорбции, ассоциативной и ударной рекомбинации по теории переходного состояния, адаптированной к поверхностным реакциям. Рассчитанные константы скоростей рассматриваемых процессов были аппроксимированы в обобщенной форме Аррениуса в диапазоне температур 500-2200 K и проведено их сравнение с имеющимися в литературе феноменологическими моделями и численными расчетами других авторов. Проведен квантово-механический расчет структуры и энергетических характеристик триэтилалюминия Al(C2H5)3 (ТЭА) в ходе которого найдены три его изомера. Рассмотрены процессы изомеризации триэтилалюминия, получены соответствующие константы равновесия и равновесный изомерный состав ТЭА. Рассчитаны основные термодинамические свойства (теплоемкость, энтальпия образования, энтропия и приведенная энергия Гиббса) найденных изомеров и равновесного состава в широком диапазоне температур. Проведена аппроксимация приведенной энергии Гиббса в соответствии с аналитическим представлением, принятым в справочном издании "Термодинамические свойства индивидуальных веществ" под ред. Л.В.Гурвича. Проведено экспериментальное и теоретическое исследование пиролиза медицинских отходов в реакторе с неподвижным слоем. Определены кинетические параметры разложения компонентов отходов по данным термогравиметрического анализа. Анализ полученных данных позволил предложить наиболее приемлемый с экологической точки зрения метод термической переработки медицинских отходов, который характеризуется минимальным уровнем эмиссии токсичных хлорированных соединений в окружающую среду.
5 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. Экспериментальное и теоретическое исследование кинетических процессов в газах
Результаты этапа: 1. Экспериментальное исследование и численное моделирования излучения чистых газов и газовых смесей за фронтом ударной волны в широком диапазоне начальных давлений и скоростей ударной волны. Разработка методики измерения теплового потока от ударно -нагретого газа. Определение концентрации электронов до и за фронтом ударной волны. На экспериментальном комплексе «Ударная труба» НИИ механики МГУ, проведены измерения интегральных и временных спектральных характеристик ударно нагретого воздуха в вакуумно-ультрафиолетовой области спектра (диапазон волн излучения 115-195 нм) для интервала скоростей ударной волны от 7.8 до 10.7 км/с и начальных давлениях в камере низкого давления 0.125 и 0.25 Торр. Анализ интегральных спектрограмм излучения показал, что значительную интенсивность в рассматриваемом спектральном диапазоне имеют линии атома азота на длинах волн 120.0, 141.2, 149.3 и 174.5 нм, а также резонансная линия атома кислорода на длине волны 130.2 нм. Временные спектрограммы излучения атомов азота и кислорода, измеренные на длинах волн 120, 130 и 149 нм, позволяют определить эффективное время излучения, которое служит критерием для пересчета объемной плотности энергии излучения на объемную мощность излучения. Измерены интегральные и временные спектральные характеристики ударно нагретого воздуха в видимой и ближней инфракрасной областям спектра (диапазон волн излучения 600-1100 нм) для интервала скоростей ударной волны от 7.35 до 10.4 км/с при давлении перед фронтом ударной волны 0.25 Торр. Анализ полученных данных показал, что основной вклад в излучение в данном спектральном диапазоне дают атомарные линии азота и кислорода. Выделены особенности временных осциллограмм для наиболее типичных атомарных линий спектра. Показано, что интенсивность излучения растет с увеличением скорости ударной волны. Временные характеристики излучения ударно нагретого воздуха, измеренные на определенных длинах волн, могут быть использованы при тестировании радиационно-столкновительных моделей, а также позволяют определить эффективное время излучения, которое служит критерием для пересчета объемной плотности энергии излучения на объемную мощность излучения. Измеренные панорамные спектры излучения ударно нагретого воздуха достаточно хорошо согласуются с результатами соответствующих измерений, полученных на зарубежных установках. Проведена серия зондовых измерений параметров низкотемпературной плазмы перед фронтом падающей ударной волны. В качестве рабочих газов использовались азот, кислород, воздух и аргон. Полученные результаты позволяют наблюдать и описать процессы фотоэффекта зонда и фотоионизации частиц исследуемого газа за счет жесткого излучения от ударно нагретой среды, а также оценить влияние этих процессов на изменение потенциала зонда. Зондовые измерения были синхронизированы с регистрацией светового потока, которая осуществлялась при помощи лавинного фотодиода и 9-ти кадровой видеокамеры Клён, расположенной в торце ударной трубы. Данные с камеры и пьезоэлектрических датчиков позволяют регистрировать динамику открытия диафрагмы, а также процесс формирования ударной волны в исследуемом газе. Результаты измерений показали, что раскрытие диафрагмы между промежуточной камерой (КПД) и камерой низкого давления (КНД), сопровождается жестким излучением гелия, из области вакуумно-ультрафиолетовой области спектра, ударно нагретого в КПД. В отсутствие поглотителей этого излучения в исследуемом газе (молекулярный кислород, пары воды, углекислый газ) наблюдается эмиссия электронов с электрического зонда за счет фотоэффекта. Формирование и дальнейшее распространение ударной волны в КНД сопровождается быстрым нагревом исследуемого газа и ростом интенсивности его излучения в широком спектральном диапазоне. Это в свою очередь приводит к фотоионизации газа перед ударным фронтом. Данный процесс сопровождается резким падением потенциала зонда в область отрицательных величин, что объясняется приходом электронов на поверхность зонда из окружающего газа. Построена простая аналитическая модель радиационного процесса, учитывающая поглощение излучения в ударной волне в воздухе. Показано, что учет поглощения значительно снижает зависимость измеряемой интенсивности излучения от концентрации излучающих частиц. Это позволило предложить метод определения электронной температуры ударно нагретого газа по интенсивности излучения атомарных компонент. В основе метода лежит обработка с помощью модели временных спектрограмм излучения на различных длинах волн из вакуумно-ультрафиолетовой области спектра. Полученные данные сравниваются с экспериментальными данными, полученными другими методам. На базе методов прямого статистического моделирования Монте-Карло проведено моделирование радиационно-химических процессов в аргоне за фронтом сильной ударной волны. В модели учитываются процессы возбуждения и ионизации атома электронным ударом, излучения и поглощения для дискретного спектра, тормозное излучение, процессы фото-ионизации и фото-рекомбинации, а также уширение атомарных линий. Рассчитан панорамный спектр излучения ударно-нагретого аргона при давлении перед фронтом ударной волны 0.25 Торр и скорости ударной волны 7.7 км/с, а также профиль излучения атомарной линии 420 нм. Результаты расчетов сравнивались с экспериментальными данными по панорамным спектрами и временным зависимостям интенсивности излучения ударно-нагретого аргона на длине волны 420 нм. Сравнение экспериментальных и расчетных данных показало достаточно хорошее согласие вычисленных и измеренных спектрограмм, однако требуется дальнейшее изучение скоростей рассматриваемых процессов. Методом прямого статистического моделирования МонтеКарло, проведен расчет в продуктах диссоциации углекислого газа и молекулярного азота структуры ударной волны, а также излучения в ней с учетом различных процессов: эволюции заселения возбужденных состояний атомов O, N и C и двухатомных молекул NO, CO, CN, C2, N2, O2. Модель учитывает физико-химические свойства атомов и молекул, поступательно-вращательный и поступательно-колебательный обмен энергией, кинетику химических реакций, возбуждение электронных уровней атомов и молекул, а также процессы переноса радиационной энергии. Проведена серия расчетов спектральных характеристик ударно нагретой смеси для двух вариантов состава смеси: 70%CO2+30%N2 и 96%CO2+4%N2. Показано, что при увеличении скорости ударной волны мощность излучения растет, причем этот рост особенно заметен в вакуумно-ультрафиолетовой области спектра, а также в видимой области. Проведено сравнение рассчитанных спектрограмм объемной мощности излучения с соответствующими спектрограммами, измеренными на ударных трубах, а также вычисленными с помощью столкновительно-радиационной модели и спектральной модели NEQAIR. Показано, что в общих чертах все спектрограммы повторяют друг друга. Тем не менее, данные расчета, полученные в настоящей работе, лежат значительно ниже экспериментальных данных. Обсуждаются причины данного разногласия. Предложен метод измерения радиационной составляющей полного теплового потока в интенсивных ударно-волновых газодинамических процессах с помощью термоэлектрического детектора. Показано увеличение вклада излучения в тепловой поток при увеличении интенсивности ударной волны. Продемонстрировано, что применяемая методика может быть использована при проведении экспериментов в ударных трубах для выделения радиационной составляющей теплового потока, а сам термоэлектрический детектор может успешно применяться для регистрации подобных параметров с микросекундным разрешением. Продолжены работы по разработке универсальной программы для расчета процессов за фронтом ударной волны при произвольном составе смеси. Проведены тестовые расчеты для ионизации чистого аргона и процесса диссоциации молекулярного кислорода. Результаты расчетов сравнивались с известными данными. Сравнения показали работоспособность программы. 2. Исследование процессов воспламенения ударно-нагретых газообразных топлив Рассмотрено современное состояние исследований по кинетическим моделям горения бензина и его составляющих. Проанализированы различные суррогатные модели бензина, описывающие физические и химические свойства реального топлива и использующиеся при разработке детальных и редуцированных кинетических моделей. Приведены примеры применения кинетических моделей при численном моделировании процессов, протекающих в двигателях внутреннего сгорания. Продолжены работы по исследованию процесса воспламенения различных углеводородов. Получены новые экспериментальные данные по времени задержки воспламенения пропано-воздушных смесей для температурного диапазона 1043 - 1778 K, давления 17.7 – 42.8 атм и коэффициентах избытка топлива 0.5, 1.0 и 2.0. Данные результаты расширяют базу существующих экспериментальных данных, особенно это касается богатых смесей, для которых в исследованном диапазоне температур и давлений нет доступной информации. Временные профили эмиссии смеси регистрировались на длине волны 310 нм, соответствующей эмиссии электронно-возбужденных радикалов OH. Для описания полученных экспериментальных данных использовались имеющиеся подробные кинетические механизмы воспламенения пропана. Показано, что ни одна из версий кинетического механизма, выбранных для компьютерного моделирования, не описывает хорошо профили эмиссии электронно-возбужденных радикалов OH. В то же время каждая схема с достаточной точностью описывает температурные зависимости времени задержки зажигания при высоких температурах выше 1100 К. Предложен новый метод регистрации воспламенения ударно нагретых газообразных топлив с помощью термоэлектрического детектора. Показано, что детектор позволяет хорошо измерять время задержки воспламенения топлив в микросекундном диапазоне, что характерно для детонационных процессов в камерах сгорания перспективных авиационных двигателей, работающих на детонационном сгорании. Эффективность детектора продемонстрирована на примере воспламенения пропано-воздушной смеси за отраженной ударной волной. В ходе экспериментов термоэлектрический детектор проявил такие свойства, как способность регистрировать высокие значения теплового потока, малая инерционность, высокое отношение сигнал/шум и высокое временное разрешение. Полученные данные сравниваются с данными измерений времени задержки воспламенения оптическим и пьезоэлектрическим методами, полученными в данной работе, а также в исследованиях других авторов. Использование термоэлектрического детектора позволит улучшить понимание высокотемпературных процессов воспламенения газообразных топлив. 3. Разработка численных кодов для расчета внутренних течений вязкого многокомпонентного газа с учетом диффузии. Валидация и верификация метода и кодов на основе сравнения полученных решений с известными расчетными и экспериментальными данными. Продолжены работы по модернизации, валидации и верификации предложенного ранее метода численного моделирования течений вязкого многокомпонентного газа в рамках уравнений движения Навье-Стокса на основе обобщенной схемы Годунова – Колгана второго порядка аппроксимации по пространственным переменным. Решена задача об обтекании тонкой теплоизолированной пластины конечной длины дозвуковым потоком воздуха с учетом термодинамических свойств газовых компонент. Численно показано, что обтекание напоминает распространение звуковых возмущений от точечного источника. Возмущения меняют параметры набегающего на пластину потока. Однако со временем влияние этих изменений становится несущественным, установившийся режим обтекания формируется после того, как во всех сечениях по длине пластины продольная скорость практически совпадает с автомодельным решением Блазиуса для полубесконечной пластины. Предложенная методика и разработанный численный алгоритм позволяют рассчитать снижение температуры торможения на поверхности пластины. В сверхзвуковом потоке течение у пластины напоминает обтекание заостренного тела с присоединенной ударной волной. Изменение параметров потока за ударной волной приводит к заметному отклонению продольной скорости от распределения Блазиуса. Однако простое аффинное преобразование, связанное с изменением числа Рейнольдса, устраняет это отклонение. Установившийся режим обтекания характеризуется наличием низкоамплитудных пульсаций как силы трения, так и вязких напряжений на пластине. Пульсации трения на пластине оказывают заметное влияние на температуру газа на поверхности пластины при числе Рейнольдса, которое немного уступает критическому значению, характерному для перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный. \ Разработанный метод протестирован на примере решения задачи запуска сопла Лаваля в сверхзвуковом потоке воздуха. Сравнение с экспериментальными данными показывает приемлемость разработанной методики для моделирования течений со сложной геометрией. При этом предлагаемый подход не вносит существенных осложнений в построение численного алгоритма по сравнению с расчетом течений невязкого газа по ранее опубликованной обобщенной схеме Годунова-Колгана. 4. Расчет констант скоростей элементарных стадий гетерогенных процессов на теплозащитных покрытиях на основе кремния методами квантовой механики, молекулярной динамики и теории переходного состояния. Проведение расчетов высокоскоростного обтекании сферы в рамках приближения вязкого ударного слоя для условий полета соответствующей высотам от 60 км и выше для широкого диапазона температур поверхности 500-2000 K. (совместно с лаб. Наномеханики) Исследованы процессы адсорбции атомов N и O на поверхностях теплозащитного материала SiO2 методами квантовой механики и молекулярной динамики. Расчет поверхности потенциальной энергии (ППЭ) проводился методом теории функционала электронной плотности. На основе полученных ППЭ методами молекулярной динамики были определены константы скорости адсорбции атомов N, O в широком диапазоне температур поверхности 500-2200 K и представлены в виде обобщенной формулы Аррениуса. Проведено сравнение рассчитанных констант скоростей с известными феноменологическими моделями и результатами расчетов по теории переходного состояния. Разработана замкнутая кинетическая модель взаимодействия диссоциированного воздуха с поверхностью теплозащитного материала SiO2 на основе квантово-механических расчетов методом DFT (X3LYP/cc-pVTZ) и теории переходного состояния. Получены константы скоростей элементарных стадий (адсорбция/десорбция, ассоциативная и ударная рекомбинация). Проведен расчет модельной задачи обтекания сферы в рамках приближения многокомпонентного химически реагирующего вязкого ударного слоя в теплонапряженной точке входа в атмосферу Земли. Исследовано влияние различных каталитических граничных условий на структуру и химический состав течения в ударном слое.
6 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. Экспериментальное и теоретическое исследование кинетических процессов в газах
Результаты этапа: 1. Совершенствование методик измерения тепловых потоков в импульсных газодинамических течениях с высокими температурными градиентами. Проведено измерение радиационных свойств высокотемпературного воздуха на модифицированной ударной трубе (DDST-M), входящий в состав экспериментального комплекса «Ударная труба» НИИ механики МГУ, при давлении газа перед ударной волной 0.25 Торр в диапазоне скоростей ударной волны от 7.7 до 11.4 км/с. Примененный метод регистрации фиксирует интегральное по времени распределение интенсивности излучения ударно-нагретого воздуха, проходящего через измерительное сечение. Измерения проводились в спектральном диапазоне от 190 до 1100 нм. Одновременно регистрировалась эволюция мощности излучения на определенных длинах волн, которые выбирались с помощью монохроматоров. Временные спектрограммы на определенных длинах волн позволяют определить эффективное время процесса, которое может быть использовано для пересчета измеренной интегральной интенсивности излучения в мощность излучения, традиционно измеряемую методом 3-D спектроскопии на зарубежных ударных установках. Экспериментальные результаты сравниваются с расчетными данными, полученными с помощью вычислительной процедуры SPECTRUM, а также с данными других измерений. Разработана расширенная версия вычислительной процедуры SPECTRUM, которая позволяет рассчитывать радиационные характеристики ударно нагретого газа с учетом снижения интенсивности излучения в поглощающей среде. Процедура базируется на line-by-line расчете спектров излучения и поглощения атомов и молекул, входящих в состав исследуемой газовой смеси. Процедура была использована для численного моделирования радиационных характеристик воздуха за сильной ударной волной. Исследована ультрафиолетовая и видимая область спектра, в которой основной вклад в излучение дают молекулярные полосы, а также видимая и ближняя инфракрасная область спектра, где основной вклад в излучение дают атомарные линии азота и кислорода. Результаты расчетов, проведенных при давлении перед ударной волной 0.25 Торр и скорости ударной волны 10 км/с, сравниваются с экспериментальными данными, полученными на ударной трубе DDST-M. Показано, что расчетные данные хорошо воспроизводят поведение экспериментальных спектрограмм излучения как по абсолютным значениям интенсивности излучения, так и по локализации максимумов интенсивности спектральных полос молекул N2, O2 и NO, цианистого радикала CN, молекулярных ионов N2+, а также спектральных линий атомов азота и кислорода. Проведена серия зондовых измерений по определению концентрации электронов в газе перед фронтом сильной ударной волны с использованием двух-диафрагменной ударной трубы DDST-M. Эксперименты выполнены в воздухе, кислороде и азоте при скоростях ударной волны от 8.3 до 11.3 км/с и начальном давлении в камере низкого давления 0.25 Торр. Получены зависимости концентрации электронов от скорости ударной волны и расстояния от точки наблюдения до ударной волны. Проведено также спектроскопическое измерение равновесной концентрации электронов за сильной ударной волной в аргоне при скорости ударной волны 4.2 км/с и давлении перед фронтом волны 5 Торр, а также в кислороде, азоте и воздухе в диапазоне скоростей от 8.3 до 11.3 км/с при начальном давлении 0.25 Торр. Метод измерения основан на анализе уширения линии атома водорода H серии Бальмера в спектральной зависимости интегральной плотности излучения исследуемого газа, в который добавляется небольшое количество водорода (~1 %). Установлена зависимость концентрации электронов от скорости ударной волны в кислороде, азоте и воздухе. Проведено сравнение полученных результатов с имеющимися экспериментальными и расчетными данными. Проведено моделирование радиационных характеристик воздуха за фронтом сильной ударной волны с помощью метода прямого статистического моделирования Монте-Карло. В используемой модели учитываются различные физико-химические процессы, протекающие в ударно нагретом воздухе, включая поступательно-вращательный и поступательно-колебательный энергообмен, кинетику химических реакций, возбуждение электронных уровней атомов и молекул, а также процессы излучения и поглощения для дискретного спектра. В результате проведенных расчетов получены интегральные по времени спектрограммы объемной мощности излучения ударно-нагретого воздуха в абсолютных единицах в диапазоне скоростей ударной волны от 7.4 до 10.7 км/с при давлении газа перед фронтом ударной волны 0.25 Торр. Данные расчетов сравниваются с экспериментальными данными, полученными на ударной трубе DDST-M. Проведена серия экспериментов на ударной трубе STS-M по измерению эволюции поглощения излучения в ударно нагретом кислороде в интервале длин волн 213-260 нм при давлении газа 1 Торр и скоростях ударной волны от 3.4 до 4.5 км/с. Показано, что данные по измерению интенсивности поглощения ультрафиолетового излучения в ударно нагретом молекулярном кислороде (система полос Шумана-Рунге) достаточно хорошо согласуются с результатами расчета по вычислительной процедуре SPECTRUM. Приведенное сопоставление экспериментальных и расчетных данных показывают, что адекватно описать временное поведение поглощения ударно нагретого кислорода при скоростях ударной волны порядка 4 км/с без учета вклада связанно-несвязанных переходов невозможно. В то же время уже при скорости порядка 4.5 км/с вклад в поглощение связанно-несвязанных переходов уменьшается. Этот результат требует дополнительного исследования в более коротковолновом диапазоне длин волн, где вклад в поглощение связанно-несвязанных переходов является основным. Построена аналитическая модель для расчета интенсивности излучения в ударно нагретом воздухе, учитывающая поглощение излучения при его прохождении поперек ударной волны вдоль луча наблюдения измерительных систем экспериментальных установок. С помощью модели сделана оценка влияния поглощения на уширение спектральных линий, а также на интенсивность излучения высокотемпературного воздуха в вакуумно-ультрафиолетовой и видимой областях спектра. Показано, что данные по измерению интенсивности излучения резонансных линий атомов азота и кислорода в вакуумно-ультрафиолетовом диапазоне могут быть использованы для определения температуры заселенности энергетических уровней атомов. Используя данные по измерению интенсивности излучения спектральных линий атомов азота и кислорода из видимого диапазона в совокупности с данными по электронной температуре можно определить концентрацию атомов. Это справедливо до тех пор, пока для линий из видимого диапазона выполняется условие оптически тонкого слоя (когда можно пренебречь поглощением). Разработан программный код, позволяющий рассчитывать состав газовой смеси за фронтом ударной волны в зависимости от времени. Программа оснащена пользовательским интерфейсом, который позволяет задавать произвольные исходные параметры, а также настраивать кинетическую схему (перечень химических реакций и константы скоростей реакций). Используемая термодинамическая модель позволяет проводить расчеты при температуре до 20 000 К, что выгодно отличает данный вычислительный код от многих аналогичных решений. С помощью разработанного программного кода выполнен расчет диссоциации воздуха за фронтом ударной волны с учетом колебательной релаксации и изменения температуры электронного газа. Полученные зависимости концентраций компонент смеси, колебательные температуры молекулярного кислорода и азота хорошо согласуются с приведенными в литературе данными. Получено свидетельство о результате интеллектуальной деятельности ("УДАРНАЯ ВОЛНА", № 2024661018). Использование разработанной программы совместно с программным комплексом SPECTRUM, позволит осуществлять расчет временной эволюции излучения за фронтом ударной волны. Для корректного расчета изменения компонентного состава смеси за фронтом ударной волны, необходима информация о концентрации электронов в покоящемся перед волной газе. С этой целью проведен обзор современного состояния исследований по измерению концентрации электронов в низкотемпературной плазме в окрестности сильной ударной волны, моделирующей условия входа спускаемых космических аппаратов в атмосферу Земли. Проанализированы различные физико-химические процессы, приводящие к образованию низкотемпературной плазмы как перед фронтом ударной волны, так и в ударно нагретом газе. Сделан критический обзор различных методов диагностики плазмы, основными из которых являются зондовые, спектроскопические и интерферометрические методы, отмечены их достоинства и недостатки. Проведен анализ многочисленных экспериментальных данных по измерению концентрации электронов в различных ударно нагретых газах при различных условиях. 2. Исследование процессов взаимодействии диссоциированной смеси газов с поверхностью многоразовых теплозащитных материалов методами квантовой механики и молекулярной динамики. 2.1. Исследованы спектральные характеристики продуктов абляции графитовой поверхности за отраженной ударной волной в воздухе в диапазоне длин волн от 400 до 1100 нм. Эксперименты проводились на однодиафрагменной ударной трубе. Показано, что спектр излучения продуктов абляции близок к спектру излучения абсолютно черного тела. Дополнительные эксперименты по отражению ударной волны от кварцевой поверхности позволяют сделать вывод о том, что фиксируемый спектр излучения связан с излучением твердых микрочастиц углерода, образующихся в воздушной среде вблизи графитовой поверхности в результате воздействия на нее ударной волны. Теоретические оценки позволяют предположить, что основным механизмом образования микрочастиц является их механический откол от графитовой поверхности. 2.2. Исследование гетерогенных процессов на поверхности -кристобалита для высокоскоростного обтекания диссоциированным воздухом затупленных тел Проведено численное моделирование высокоскоростного обтекания многокомпонентным диссоциированным газом затупленного тела для режима течения, соответствующего теплонапряженной точке планирующей траектории входа в атмосферу Земли в диапазоне температуры поверхности 800-2000 K. Проанализирована зависимость режимов протекания гетерогенных химических реакций от температуры поверхности и плотности поверхностных центров адсорбции и их влияние на химический состав ударного слоя и конвективный тепловой поток к обтекаемой поверхности. Дана оценка вкладов отдельных механизмов гетерогенной рекомбинации в полную скорость возникновения молекул на поверхности. Показана возможность использования плотности мест адсорбции в качестве эффективного параметра при задании граничных условий на реальной теплозащитной поверхности в задачах обтекания. 2.3 Влияние различных гетерогенных процессов на численную интерпретацию экспериментальных результатов в ВЧ-плазмотроне Проведено численное моделирование обтекания образцов теплозащитного покрытия на основе -кристобалита недорасширенными сверхзвуковыми струями высокоэнтальпийного воздуха, соответствующими условиям в индукционном ВЧ-плазмотроне. Расчеты выполнены в рамках уравнений Навье - Стокса на многоблочной расчетной сетке для течения многокомпонентного химически реагирующего газа. В результате расчетов получены концентрации компонентов газовой фазы вблизи поверхности, степень заполнения поверхности атомами кислорода и азота, конвективные тепловые потоки к поверхности и их структура (вклад теплопроводности и диффузии). Определены численные скорости образования молекул кислорода, азота и оксидов азота в результате гетерогенных каталитических реакций. Определены зависимости перечисленных характеристик течения в широком диапазоне плотностей адсорбционных центров, моделирующих режимы от некаталитического до идеально каталитического. Показан вклад процессов диффузии и теплопроводности в тепловой поток к поверхности для различных режимов взаимодействия газа с материалом поверхности. Проведен сравнительный анализ расчетов течения в ВЧ-плазмотроне с учетом и без учета образования оксида азота на обтекаемой поверхности. Проведенные исследования показали необходимость учета гетерогенной рекомбинации оксида азота в граничных условиях для рассматриваемых условий течения. 3. Расчет течений воздуха в соплах Лаваля на основе уравнений Навье-Стокса с инжекцией газовых компонент через стенки канала. Разработана методика расчета внутренних течений многокомпонентного газа с учетом вязкости, теплопроводности и диффузии. Моделирование проводится численно на основе уравнений Навье –Стокса и численном методе Годунова-Колгана. Коэффициенты вязкости и теплопроводности многокомпонентной смеси рассчитываются по формулам Уилки. Для описания диффузии вместо соотношений Стефана-Максвелла используется закон Фика с коррекцией Mason  Saxena и эффективные коэффициенты диффузии, которые определяются по коэффициентам бинарной диффузии. На основе разработанной методики решена задача о диффузии газов на контактном разрыве. Выполнены подготовительные исследования по моделированию течений воздуха в соплах Лаваля на основе уравнений Навье-Стокса, проводятся тестовые расчеты с инжекцией газовых компонент через стенки канала. 4. Двумерная программа и результаты тестовых расчетов инициирования и распространения ударных волн в ударной трубе в рамках уравнений Эйлера с учетом термодинамических свойств газовых компонент. Разработан численный алгоритм для моделирования ударно-волновых процессов в двухкамерной ударной трубе с детонационной камерой высокого давления (КВД) при наличии в ней перфорированного диска. Предложена модель протекания продуктов горения через перфорированный диск. Тестовые расчеты по формированию ударной волны в камере низкого давления выполнены в случае сжигания в КВД гремучей смеси, разбавленной гелием. Сравнение с экспериментом указывает на приемлемость используемых подходов и моделей 5. Исследования времен задержки воспламенения Измерены времена задержки воспламенения за отраженной ударной волной в смесях пропана, кислорода и аргона с объемным содержанием аргона 91% в диапазоне температур от 1250 до 1770 K при давлении 30 атм и коэффициентах избытка топлива 0.5, 1.0 и 2.0. Анализ полученных результатов показывает, что при всех значениях коэффициента избытка топлива поведение измеренных значений времени задержки воспламенения строго следует аррениусовой зависимости, что выражается в прямолинейности кривых, аппроксимирующих экспериментальные точки. При возрастании коэффициента избытка топлива время задержки воспламенения тоже увеличивается, что согласуется с результатами измерений других авторов в данной области температур. Полученная информация расширяет диапазон имеющихся экспериментальных данных, являющихся основой для тестирования редуцированных кинетических механизмов, которые используются для моделирования процесса горения пропана в различных камерах сгорания.
7 1 января 2025 г.-31 декабря 2025 г. Экспериментальное и теоретическое исследование кинетических процессов в газах
Результаты этапа: 1. Исследования физико-химических процессов на ударных трубах НИИ механики МГУ 1.1. Экспериментальное исследование радиационных характеристик ударно-нагретых газов за фронтом сильной ударной волны На ударных трубах DDST-M и STS-M, входящих в экспериментальный комплекс «Ударная труба» НИИ механики МГУ, продолжен цикл исследований неравновесного излучения ударно нагретых газов, выполняющихся ранее. Получены новые экспериментальные данные по радиационным характеристикам воздуха за сильной ударной волной при начальном давлении перед фронтом ударной волны 0.25 Торр и скоростях ударной волны до 11.4 км/с. Основной упор на данном этапе исследований сделан на регистрации и анализе временных спектрограмм излучения высокотемпературного воздуха в широком диапазоне длин волн от вакуумного ультрафиолета до инфракрасного излучения. Подобные временные спектрограммы дают важную информацию о кинетических процессах в неравновесной зоне за фронтом сильной ударной волной, а также используются для тестирования радиационно-столкновительных моделей излучения. Модернизированная двух-диафрагменная ударная труба DDST-M предназначена для измерения спектральных характеристик ударно нагретых газов в интервале длин волн от 190 до 1100 нм, который соответствует ультрафиолетовому (UV), видимому (VIS) и инфракрасному (IR) спектральным диапазонам. Труба имеет цилиндрическую форму с внутренним диаметром 50 мм, в которой инициирование ударной волны осуществляется за счет детонационного сжигания в камере высокого давления стехиометрической смеси кислорода с водородом, разбавленной гелием. Установка состоит из трех камер: камеры высокого давления (КВД) длиной 1.55 м, камеры промежуточного давления (КПД) длиной 3.5 м и камеры низкого давления (КНД) длиной 3 м. В качестве диафрагмы между КВД и КПД используется медная фольга толщиной 300 мкм с насечками. Камера промежуточного давления заполнена гелием, а камера низкого давления – исследуемой газовой смесью. В качестве диафрагмы между КПД и КНД используется медная фольга толщиной 400 мкм с насечками. Вдоль секций ударной трубы расположены пьезоэлектрические датчики для осуществления контроля за давлением газа и скоростью ударной волны в каждой секции. Оптическая система регистрации излучения на ударной трубе DDST-M позволяет измерять радиационные характеристики ударно нагретого газа, проходящего мимо двух измерительных сечений трубы. Первый измерительный канал, регистрирующий интегральную по времени плотность излучения газа (панорамный спектр) в UV/VIS спектральном диапазоне (длины волн от 190 до 670 нм), включает спектрограф Horiba CP140-1824 и линейный CDD-детектор Hamamatsu S11156. Одновременно в этом же измерительном сечении с помощью спектрографа Horiba CP104-1603 регистрируется панорамный спектр в VIS/IR диапазоне (длины волн от 500 до 1100 нм). Второй измерительный канал собран на базе спектрографов B&M50 и Horiba H1061, которые фиксируют спектрограммы излучения на ФЭУ R4420 Hamamatsu и ФЭУ R446 Hamamatsu, соответственно. Этот измерительный канал регистрирует временную эволюцию излучения в двух специально выделенных с помощью монохроматоров узких спектральных диапазонах. Модифицированная стандартная (одно-диафрагменная) ударная труба STS-M состоит из двух камер (КВД и КНД) и работает на том же принципе, что и ударная труба DDST-M. Камера низкого давления длиной 4 м состоит из трёх секций, сочлененных фланцами: разгонной секции длиной 2.5 м и двух измерительных секций длиной 0.5 м каждая. Вторая измерительная секция соединяет камеру низкого давления с расширительным баком объёмом 80 литров. Длина камеры высокого давления равна 0.7 м. Внутренний диаметр ударной трубы по всей ее длине одинаков и составляет 5 см, толщина стенок трубы равна 2.5 см. Между КВД и КНД устанавливается кассета с медной диафрагмой с насечками толщиной 0.13-0.31 мм. Важной особенностью ударной трубы STS-M является то, что ее измерительная аппаратура позволяет фиксировать спектральные характеристики ударно нагретых газов в интервале длин волн от 115 до 200 нм, который соответствует области вакуумного ультрафиолета (VUV). Данный спектральный диапазон является одним из основных при определении радиационных характеристик ударно нагретого воздуха. С одной стороны, излучение в VUV диапазоне составляет значительную часть общего радиационного теплового потока. С другой стороны, этот диапазон вносит наибольшую неопределенность в оценку радиационного теплопереноса, что объясняется недостатком экспериментальной информации в данной спектральной области. Одной из причин отсутствия достаточного количества экспериментальных данных является сложность измерения VUV излучения, связанная с необходимостью удаления молекулярного кислорода и водяного пара из оптического пути при регистрации излучения в рассматриваемом диапазоне. В процессе экспериментального исследования радиационных характеристик воздуха за фронтом сильной ударной волны были измерены интегральные и временные характеристики излучения ударно-нагретого воздуха в интервале значений скорости ударной волны от 7.8 до 11.4 км/с при начальном давлении в КНД, равном 0.25 Торр. Измерения в VUV спектральной области (длины волн излучения от 115 до 200 нм) проводились на ударной трубе STS-M. Спектральные диапазоны UV/VIS (длины волн излучения от 190 до 670 нм) и VIS/IR (длины волн излучения от 600 до 1100 нм) были исследованы на ударной трубе DDST-M. Предварительная калибровка измерительных систем обеих ударных труб позволяет представить полученные данные в абсолютных единицах. Выбор наиболее характерных длин волн для регистрации и анализа временных спектрограмм излучения проводился на основе анализа измеренных интегральных спектрограмм объемной плотности энергии излучения воздуха (панорамных спектров) при указанных выше начальных условиях. Подобные интегральные спектрограммы дают общую информацию о характере излучения, а также позволяют определить области длин волн, наиболее интересные для дальнейших исследований. На основании анализа измеренных панорамных спектров для дальнейшего исследования временных спектрограмм излучения были выбраны наиболее характерные длины волн 130 и 149 нм в VUV спектральной области, представляющие атомы O и N, соответственно; длины волн 213, 313 и 391 нм в UV/VIS спектральной области, представляющие молекулы NO и N2, а также молекулярные ионы N2+, соответственно; длину волны 818 нм в VIS/IR спектральной области, представляющие атомы O. Временные характеристики излучения ударно-нагретого воздуха на выбранных длинах волн были измерены при скоростях ударной волны от 7.8 до 11.0 км/с и начальном давлении в камере низкого давления 0.25 Торр. Анализ полученных спектрограмм атомов и молекул показывает, что сразу после прохождения ударной волны через измерительное сечение ударной трубы (момент времени t = 0) происходит резкий всплеск мощности излучения, связанный с неравновесностью протекания процесса. Длительность неравновесной зоны составляет величину порядка 1 мкс. Максимум интенсивности в неравновесной зоне растет с увеличением скорости ударной волны. При временах более 1 мкс процесс переходит в равновесную стадию, длительность которой равна примерно 3 мкс. При небольших скоростях ударной волны (менее 9 км/с) пиковая интенсивность излучения значительно превышает равновесные значения. Увеличение скорости ударной волны ведет к уменьшению этой разницы, и при скоростях порядка 10 км/с и выше пиковая интенсивность неравновесной зоны практически совпадает с равновесными значениями. Проведено сравнение временных зависимостей мощности излучения компонентов воздуха за фронтом сильной ударной волны, измеренных на ударной трубе DDST-M, с соответствующими данными, полученными на электро-разрядной установке EAST, эксплуатируемой в NASA. При обработке экспериментальных результатов, полученных на установке EAST, используется метод 3-D спектроскопии. В этом методе конструкцию спектрографа выбирают таким образом, чтобы получать как пространственное, так и спектральное разложение излучения пробки ударно нагретого газа за короткий промежуток времени (от 0.1 до1 мкс). Интегральный метод, используемый на ударной трубе DDST-M, фиксирует временную эволюцию излучения, проходящего через измерительное сечение ударной трубы, в специально выделенных с помощью монохроматоров узких спектральных диапазонах. Для согласования результатов измерения, полученных этими двумя методами, можно воспользоваться простым соотношением: расстояние от фронта ударной волны до точки регистрации излучения в пробке ударно нагретого газа в методе 3-D спектроскопии равно скорости ударной волны, умноженной на время между моментом прохождения ударной волны через измерительной сечение и моментом регистрации излучения в интегральном методе. Сравнение временных зависимостей мощности излучения первой отрицательной системы полос молекулярного иона N2+ на длине волны 391 нм, зарегистрированных на ударных трубах DDST-M и EAST при скорости ударной волны 10 км/с и начальном давлении в КНД 0.25 Торр, показывает, что имеет место хорошее совпадение как по максимуму, так и ширине неравновесного пика. Равновесные значения, полученные на EAST, примерно в два раза превышают данные настоящей работы, что может быть объяснено более высоким начальным давлением. 1.2. Измерение радиационного теплового потока, генерируемого фронтом ударной волны в направлении ее движения. Предложен и реализован новый метод измерения радиационных характеристик ударно нагретого воздуха, названный методом интегральной по координате спектроскопии, в котором регистрационная аппаратура ударной трубы фиксирует мощность излучения, генерируемую ударным фронтом в направлении его движения. В этом случае радиационный тепловой поток формируется всей «пробкой» нагретого газа за фронтом ударной волны. Задача регистрации излучения в такой постановке реализована впервые в мировой практике и позволяет более точно оценить радиационный нагрев поверхности спускаемого космического аппарата. Измерение радиационного теплового потока на ударных трубах проводится с помощью различных методов. На зарубежных ударных установках применяется как правило метод 3-D спектроскопии. В частности, это относится к наиболее известной электро-разрядной установке EAST, эксплуатируемой в NASA. Метод основан на фиксировании ICCD-камерой одномоментной картины распределения объемной мощности излучения газа за фронтом ударной волны через щель, прорезанную вдоль оси трубы в ее боковой поверхности. В методе интегральной по времени спектроскопии проводится суммирование радиационного теплового потока, поступающего в измерительную аппаратуру через окно в боковой поверхности ударной трубы перпендикулярно оси трубы по мере прохождения мимо окна «пробки» ударно нагретого газа. Метод используется на отечественных ударных установках, в том числе на ударной трубе DDST-M Института механики МГУ, и ряде зарубежных установок. В разработанном новом методе радиационный тепловой поток, генерируемый ударным фронтом в направлении движения ударной волны, поворачивается алюминиевым зеркалом, которое расположено вниз по потоку под углом 45 градусов к оси трубы, и попадает в регистрирующую систему через окно в боковой поверхности ударной трубы. Метод реализован на ударной трубе DDST-M, которая оснащена соответствующей аппаратурой, позволяющей измерять интегральные и временные характеристики излучения ударно нагретого воздуха одновременно двумя методами: как в направлении движения ударной волны, так и поперек. В первом измерительном сечении ударной трубы регистрируется излучение за ударной волной перпендикулярно оси трубы на ICCD камеру с различным спектральным разрешением. Второе измерительное сечении располагается ниже по потоку на расстоянии 50 см от первого измерительного сечения. В этом сечении с помощью спектрографа Horiba 1603 в области длин волн от 190 до 700 нм регистрируется CDD-детектором интегральное распределение интенсивности излучения (панорамный спектр) перед приходом ударной волны в направлении вдоль оси ударной трубы. Для поворота радиационного потока на 90 градусов для его регистрации через отверстие в боковой поверхности ударной трубы в каждом эксперименте устанавливалось алюминиевое зеркало под углом 45 градусов к оси трубы. Собирающая излучение оптическая система состоит из сферического зеркала с фокусным расстоянием 250 мм и плоского зеркала. Фокус зеркала располагался на алюминиевом зеркале установленным в центре ударной трубы. Алюминиевое зеркало внутри ударной трубы менялось после каждого эксперимента и имело размер 10x10 мм. Для оценки эффективности нового метода измерения интенсивности излучения ударно нагретых газов была проведена серия экспериментов по регистрации спектральных характеристик излучения воздуха за сильной ударной волной в интервале скоростей ударной волны от 8 до 10.6 км/с при давлении перед фронтом ударной волны 0.25 Торр. Данные параметры ударной волны были выбраны применительно к наиболее теплонапряженному участку траектории спуска космического аппарата, входящего в атмосферу Земли со второй космической скоростью. В соответствии с задействованной измерительной аппаратурой был исследован спектральный интервал от 200 до 700 нм (ультрафиолетовая и видимая области спектра), в котором основной вклад в излучение дают молекулярные полосы молекул N2 и NO, радикалов CN и молекулярных ионов N2+, а также атомарные линии азота и кислорода. Как показывают результаты проведенных измерений, после образования «пробки» ударно нагретого газа, которая движется за фронтом ударной волны, радиационный тепловой поток быстро выходит на квазистационарный режим и накапливается CDD-детектором. При этом наблюдается линейный рост теплового потока на соответствующей спектрограмме (панорамном спектре). Величина радиационного теплового потока формируется в данном случае всей областью ударно нагретого газа вдоль оси симметрии ударной трубы. Экспериментальные результаты показывают, что увеличение скорости ударной волны ведет к увеличению интенсивности излучения, причем в спектральном интервале длин волн от 200 до 400 нм, где основной вклад в излучение дают молекулярные полосы, это увеличение незначительно. В спектральном интервале длин волн выше 400 нм, где на фоне полос молекулярных ионов N2+ (первая отрицательная система) и радикалов CN (фиолетовая система) появляются атомарные линии, различие более существенно. Сравнение спектрограммы мощности радиационного теплового потока (панорамного спектра), полученной в результате измерения в направлении вдоль оси ударной трубы, с соответствующей спектрограммой, полученной при регистрации интенсивности излучения через отверстие на боковой поверхности трубы перпендикулярно оси трубы, показывает, что первая спектрограмма лежит значительно выше второй. Наибольшее различие наблюдается в области длин волн выше 450 нм, где основной вклад в излучение дают атомарные линии азота и кислорода. Расчет абсорбционных характеристик ударно нагретого воздуха, проведенный с помощью вычислительной процедуры SPECTRUM, позволил объяснить наблюдаемые расхождения в значениях радиационного теплового потока, измеренных различными методами, влиянием самопоглощения при прохождении излучения через среду. В первую очередь эти расхождения зависят от длины оптического пути излучения вдоль линии наблюдения, которая у разных методов регистрации разная. Как показывает анализ временных зависимостей мощности излучения с точки зрения влияния самопоглощения на поведение панорамных спектров, при регистрации излучения вдоль направления движения ударной волны самопоглощение ударно нагретого воздуха обрезает в основном «хвост» временной зависимости мощности радиационного теплового потока, интенсивность которой в этой зоне достаточно мала по сравнению с пиковыми значениями. С другой стороны, при регистрации излучения перпендикулярно оси трубы в основном срезается пик временной зависимости, что значительно снижает суммарное значение радиационного теплового потока. Наиболее заметно данный эффект должен проявляться для атомарных линий, которые в рассматриваемых условиях (начальное давление 0.25 Торр и скорость ударной волны порядка 10 км/с) характеризуются резким пиком и практически нулевой интенсивностью равновесной зоны. Результаты проведенных измерений показывают, что предложенный интегральный метод измерения излучения ударно нагретого газа, в котором измерительная аппаратура регистрирует мощность излучения, генерируемую ударным фронтом в направлении его движения, более полно учитывает всю совокупность физико-химических и радиационных процессов, инициированных сильной ударной волной. Данная постановка эксперимента справедлива для ударной трубы DDST-M, в которой толкающий газ (гелий), заполняющий камеру промежуточного давления, практически не излучает и не оказывает заметного влияния на величину радиационного теплового потока. В электро-разрядной установке EAST, эксплуатируемой в NASA, и других подобных ударных установках толкающий газ содержит пары металлов, образующиеся в камере высокого давления в результате газового разряда, которые в ультрафиолетовой области спектра имеют интенсивные полосы свечения. Поэтому измерение величины радиационного теплового потока перед ударной волной в направлении ее движения даст завышенные результаты. 1.3. Исследование влияния ионизационных процессов перед и за фронтом сильной ударной волны на показания термоэлектрического детектора. Для наземного моделирования условий, реализуемых при обтекании космического аппарата потоком ударно нагретого газа, используются установки различного типа включая ударные трубы. При больших значениях энтальпии набегающего газового потока характерное время процессов, протекающих в газовой среде, ограничивается несколькими десятками микросекунд. Измерение тепловых потоков в таких условиях проводится специальными термоэлектрическими детекторами (TD), вырабатывающими термоЭДС в результате тепловой нагрузки. Большинство из них имеют чувствительные элементы из электропроводящих материалов, показания которых могут быть подвержены влиянию заряженных частиц, возникающих в ударно нагретом газе в результате ионизационных процессов. Задачей данного исследования является анализ экспериментальных результатов, полученных с помощью TD в частично ионизованном воздухе, оценка влияния заряженных частиц на его показания и рассмотрение возможности его применения для регистрации ионизационных процессов перед и за фронтом сильной ударной волны. Эксперименты выполнялись на двух-диафрагменной ударной трубе DDST-M. Проводилось несколько экспериментов с аналогичными начальными условиями. В камере низкого давления (КНД) с внутренним круглым сечением диаметром 57 мм, содержащей воздух, формировалась ударная волна. Начальное давление в КНД 0.25 Торр, скорость фронта ударной волны 9.86 км/с. Для контактной регистрации параметров плазмы использовались электрические зонды Z1 и Z2, которые имели одноэлектродную конструкцию и располагались по ходу движения ударной волны. Между зондами заподлицо с внутренней стенкой КНД устанавливался TD с чувствительным элементом на основе кристаллитов хрома. Запись показаний осуществлялась через АЦП с частотой регистрации 2.5 МГц на канал. Излучение ударно нагретого газа за фронтом сильной ударной волны с энергией фотонов, превосходящей энергию ионизации молекул газа, распространяется в область невозмущенного газа перед волной и частично поглощается ближайшим к фронту ударной волны слоем, что приводит к его фото-ионизации. Образование электронов и последующая их диффузия к поверхности средств измерения Z1, TD и Z2 приводит к генерации соответствующих токов. Чувствительный слой используемого TD представляет собой систему разосных кристаллитов хрома, размещенных на высокоомной подложке с помощью вакуумного напыления при наклонном угле конденсации. Регистрация ЭДС происходит через контактные площадки, распложенные между верхней и нижней границами чувствительного слоя. Подобно одноэлектродным зондам в такой структуре при появлении отрицательного потенциала на верхней плоскости (увеличение концентрации электронов) возникает направленное движение заряженных частиц в замкнутом контуре. Разница зарядов между верхней (электроны, образовавшиеся перед УВ, а также валентные электроны в кристаллитах хрома TD) и нижней (валентные электроны в кристаллитах хрома TD) плоскостями создает электрический ток. В процессе проведения экспериментов измерены временные зависимости показаний зондов Z1 и Z2 и детектора TD, записанные во временном интервале от -140 до 0 мкс, где нулевой момент времени совпадает с приходом ударного фронта к детектору TD. В показаниях Z1 и Z2 на больших расстояниях от ударной волны наблюдается фотоэффект от излучения ударно-нагретого газа, который сменяется фиксацией фото-ионизации непосредственно перед приходом фронта ударной волны. В показаниях TD сразу виден вклад фото-ионизационных процессов, поскольку здесь явление фотоэффекта отсутствует из-за плоской конструкции датчика и его размещения заподлицо к стенке КНД. Такой подход позволяет более точно определить зону начала фото-ионизации перед фронтом ударной волны, которая при рассматриваемых начальных условиях эксперимента соответствует моменту времени t = −100 мкс. Оценка концентрации электронов для аналогичных экспериментальных условий дает ее значения порядка Ne = 10**11 частиц на кубический сантиметр. Можно сделать вывод, что данная величина является некоторым пороговым значением, выше которого необходимо учитывать влияние заряженных частиц на показания TD. Полученные результаты свидетельствуют о реакции чувствительного элемента используемого термоэлектрического детектора TD на концентрацию заряженных частиц около него. Потенциал датчика может меняться не только за счет возникновения термоЭДС в результате приходящего на него теплового потока, но и за счет находящихся рядом электронов. Этот аспект нужно учитывать при использовании термоэлектрического детектора в ионизованных газах. Применение описанного метода может быть полезно для наземных испытаний в ударных трубах по имитации входа космического аппарата в плотные слои атмосфер планет и спутников Солнечной системы. Получение таких данных позволяет проводить сравнение с показаниями ионизационных датчиков, которые устанавливаются на реальном аппарате и фиксируют значения распределений заряженных частиц в процессе полета и спуска и определять степень достоверности воспроизведения условий наземных и летных испытаний. 1.4. Исследование явления откола микрочастиц углерода от графитовой поверхности при воздействии на нее сильной ударной волны. Продолжено исследование спектральных характеристик продуктов абляции графитовой поверхности после отражения от нее сильной ударной волны. Эксперименты проводились на метрологической одно-диафрагменной ударной трубе STM, входящей в ударный комплекс «Ударная труба» НИИ механики МГУ. Основной упор на данном этапе исследований сделан на регистрации и анализе временных спектрограмм излучения продуктов абляции шероховатой графитовой поверхности с точки зрения механического откола (отслаивания) микрочастиц углерода от поверхности образца. Рассмотрение явления отслаивания за отраженной ударной волной позволяет выделить это явление среди многих других процессов, происходящих вблизи абляционной графитовой поверхности, включая гетерогенную химию, сублимацию и ряд других высокотемпературных процессов. Как показывает анализ имеющейся литературы по данной тематике, проблема абляции в такой постановке ранее не изучалась. Эксперименты на установке STM проводились в режиме отраженной ударной волны при различных начальных давлениях в КНД и скоростях падающей ударной волны. Давление варьировалось в диапазоне от 7.5 до 47 Торр, скорость ударной волны изменялась от 1.4 до 2.2 км/с. В качестве исследуемого газа использовался воздух. Измерительная система установки регистрировала временную эволюцию интенсивности излучения, проинтегрированную в диапазоне длин волн от 200 до 850 нм, а также спектр излучения, усредненный по времени в интервале времени, варьирующемся от 100 до 1200 мкс. Для обеспечения достоверности полученных результатов каждое измерение проводилось дважды при одинаковых начальных условиях. Для выяснения причин возникновения излучения за отраженной ударной волной некоторые эксперименты проводились с использованием кварца в качестве рабочей поверхности. По той же причине были проведены дополнительные эксперименты с использованием кислорода в качестве исследуемого газа. Для подтверждения того, что регистрируемое излучение обусловлено попаданием твердых микрочастиц углерода в воздушную среду с поверхности графита под импульсным воздействием ударной волны, была проведена серия экспериментов по отражению ударной волны от поверхности кварца. Этот кристаллический материал обладает высокой твердостью по шкале Мооса, большой устойчивостью к термическим напряжениям и низкой каталитической активностью. Следовательно, излучение твердых микрочастиц с поверхности кварца должно быть значительно меньше, чем с поверхности графита. Измерения проводились при одинаковых начальных условиях, соответствующих начальному давлению в КНД, равному 7.5 Торр, и скорости ударной волны 2.2 км/с. Сравнение временных зависимостей интенсивности излучения, зарегистрированного фотоумножителем PMT-100 вблизи поверхности образцов из графита и кварца, показывает, что форма временных профилей излучения одинакова как для графитовой, так и для кварцевой поверхностей. Однако в абсолютных значениях данные для кварцевой поверхности в 50 раз меньше данных для графитовой поверхности. Для оценки влияния различных газов-носителей на процесс откола частиц углерода от графитовой поверхности было проведено несколько экспериментов с заменой воздуха кислородом. Увеличение содержания кислорода в газе способствует окислению микрочастиц углерода и, соответственно, уменьшению их размера и концентрации. Это, в свою очередь, должно повлиять на интенсивность и длительность излучения. Измерения проводились на воздухе и кислороде при начальном давлении 45 Торр и скорости ударной волны 1.5 км/с. Сравнение измеренных временных зависимостей давления и интенсивности излучения вблизи поверхности образца графита показывает, что поведение кривых давления совпадает. Форма кривых интенсивности излучения и их максимальное значение также приблизительно одинаковы, но ширина зоны излучения в воздухе несколько больше. В целом можно отметить, что замена воздуха кислородом не оказывает существенного влияния на процесс расщепления. Как показывают все измеренные временные спектрограммы излучения продуктов абляции шероховатой графитовой поверхности, начальная стадия процесса эмиссии характеризуется индукционным периодом между моментом отражения ударной волны от поверхности графита и моментом начала эмиссии. В предположении, что задержка эмиссии определяется временем нагрева графитовой микрочастицы до температуры ударно-нагретого газа, был рассчитан средний размер частиц. Как показывает анализ временной спектрограммы излучения, измеренной при начальном давлении в КНД, равном 46 Торр, и скорости ударной волны 1.6 км/с, начальная стадия процесса эмиссии характеризуется временем задержки излучения 60 мкс. Расчеты показывают, что в этих условиях средний радиус углеродных микрочастиц, отколовшихся от поверхности графита, составляет 42 мкм. Для сравнения, углеродные микрочастицы, образующиеся в экспериментах с дуговым струйным разрядом, имеют средний радиус в диапазоне от 5 до 50 мкм. 2.Численное моделирование 2.1. Разработка модели "цифрового двойника" ударной трубы Для описания процессов, реализующихся в секциях ударных труб экспериментального комплекса «Ударная труба» НИИ механики МГУ разработана цифровая модель трехкамерной ударной трубы, состоящей из детонационной камеры высокого давления (КВД), камеры промежуточного давления (КПД) и камеры низкого давления (КНД). Камеры заполняются, соответственно, разбавленным гремучим газом, гелием и воздухом. В КВД дополнительно выделяется небольшая фор-камера для защиты свечи, инициирующей горение, и перераспределения инициирующей энергии в КВД. Решается задача об инициировании высокоскоростных ударных волн в воздухе. Инициирующая энергия вырабатывается при сжигании гремучей смеси в КВД. Генерируемые ударные волны, разрушая диафрагмы, поочередно проходят в КВД, КПД и, наконец, в КНД с воздухом. В начальный момент задается давление в каждой из камер. Газ находится в состоянии покоя при комнатной температуре. Считается, что искровой разряд мгновенно меняет давление, температуру и состав смеси в малой области вблизи свечи у левой торцевой стенки и оси симметрии в фор-камере. Температура, давление и состав газа приобретают в этой области значения, соответствующие равновесному состоянию продуктов горения гремучей смеси при постоянном объеме. Далее рассчитывается эволюция возникшей неоднородности. Численное моделирование осуществляется на базе двумерных нестационарных уравнений Навье-Стокса для осесимметричных течений многокомпонентного реагирующего газа с учетом диффузии и разработанной численной схемы второго порядка точности, которая является модификацией схемы Годунова-Колгана (см. пункт 1). Расчеты выполнены как при сжигании гремучей смеси в режиме обычного, так и детонационного горения. Предложенная цифровая модель трехкамерной ударной трубы позволяет получать близкие к эксперименту результаты при сжигании гремучей смеси в режиме обычного горения. Как в расчетах, так и в эксперименте наблюдаются ударные волны со скоростью порядка второй космической. По расчетам детонационное сжигание гремучей смеси повышает скорость генерируемых ударных волн во всех камерах установки. 2.2 Исследование процессов в сверхзвуковом прямоточном воздушно-реактивном двигателе На основе двумерных нестационарных уравнений Навье-Стокса для осесимметричных течений вязкого теплопроводящего газа выполнены численные исследования о возможности использования диффузора Буземана в сверхзвуковом прямоточном воздушно-реактивном двигателе. Решается задача о натекании сверхзвукового воздушного потока с число Маха много большим единицы в осесимметричный сопловой канал, состоящий из сужающейся секции (диффузора), цилиндрического участка (в перспективе камеры сгорания) и расширяющегося сопла. Считается, что параметры поступающего воздуха соответствуют условиям атмосферы на заданной высоте. Для этих условий по ранее разработанной методике, которая фактически сводится к интегрированию обыкновенных дифференциальных, определяется форма диффузора Буземана. Численное моделирование течения в сопловом канале проводится на базе ранее разработанной численной схемы для расчета течений вязкого многокомпонентного газа, которая представляет собой модификацию конечно-разностной схемы Годунова -Колгана для газодинамических уравнений Эйлера. Коэффициенты кинематической вязкости и термопроводности смеси рассчитываются по формулам Уилки. Показано, что вязкость и теплопроводность искажает течение в диффузоре настолько, что исключает его использование для полетов на большой сверхзвуковой скорости в условиях высотной атмосферы. 3. Взаимодействие диссоциированного воздуха с каталитическими поверхностями на основе кремния для условий течения в индукционном ВЧ-плазмотроне (совместно с А.А. Крупновым (лаб. 104) и В.И. Сахаровым (лаб. 106) Важной составляющей безопасности космических полетов является эффективность тепловой защиты поверхности многоразовых космических аппаратов, которая обеспечивается применением современных материалов с наименьшей каталитической активностью при взаимодействии с атмосферной газовой смесью. Возможность прогнозирования интенсивности взаимодействия диссоциированного воздуха с материалом поверхности позволяет точно определять свойства конкретного теплозащитного материала и оптимизировать его эффективную массу, обеспечивая безопасность космических миссий. В наземных экспериментальных установках индукционные высокочастотные плазмотроны (ВЧ-плазмотроны) позволяют воспроизвести условия теплового воздействия при входе аппарата в атмосферу Земли. Для интерпретации полученных экспериментальных данных необходимо провести численное моделирование течения в разрядном канале ВЧ-плазмотрона и обтекания моделей истекающими из него до- или сверхзвуковыми струями. Рассматривается задача обтекания образца теплозащитного материала на основе β-кристобалита и карбида кремния в условиях, соответствующих экспериментам, проводимым на ВЧ-плазмотроне ВГУ-4. Данный плазмотрон на протяжении многих лет успешно применяется для исследования тепловой нагрузки на поверхность различных материалов в сверхзвуковых потоках высокоэнтальпийного диссоциированного газа. Для анализа и интерпретации экспериментальных данных разработан программный комплекс HIGHTEMP, способный совместно рассчитывать течение диссоциированной и частично ионизированной газовой смеси во всех областях плазмотрона, начиная от разрядного канала с индукционным нагревом газа и заканчивая рабочей зоной с образцом исследуемого материала. Численное моделирование тепловой нагрузки на поверхность обтекаемого тела возможно лишь при известных процессах взаимодействия диссоциированных газов с исследуемыми материалами, определяемых их каталитическими свойствами. В последнее время разрабатываются модели гетерогенного катализа на основе квантово-механических и молекулярно-динамических расчетов, позволяющие описывать взаимодействие газовой смеси с идеальным сечением кристаллической структуры теплозащитного материала. Однако реальные поверхности практически никогда не бывают идеальными, а состоят из большого числа областей различных идеальных сечений, а фактическое значение плотности адсорбционных центров может превышать идеальное значение на два порядка. Детальное исследование на атомном уровне структуры удельных поверхностей теплозащитных материалов возможно только с привлечением современного высокоточного оборудования и связано с большими затратами времени и средств, что представляется несоразмерным целям исследуемой задачи и ожидаемым результатам. Но варьирование величины плотности адсорбционных центров, позволяет описать взаимодействие газа с реальной поверхностью теплозащитного материала. Учет каталитических процессов на поверхности важен для широкого круга задач высокоскоростной аэродинамики. Граничные условия для сплошной среды выведены в рамках поуровневой кинетики в газовой фазе с частичным учетом гетерогенных процессов на поверхности. Граничные условия сформулированы с учетом детальной кинетики гетерогенных процессов и показана их роль при обтекании модельного тела высокоскоростным диссоциированным потоком воздуха. Система уравнений для моделирования течения многокомпонентного химически реагирующего газа вблизи поверхности твердого тела содержит, помимо уравнений неразрывности, импульса и энергии, уравнения диффузии. Уравнения диффузии, описывающие сохранение массы отдельных химических компонентов газовой смеси, содержат так называемые источниковые члены, определяющие скорости образования химических компонентов в результате гомогенных химических реакций. Для замыкания уравнений диффузии на обтекаемой поверхности необходимо задать граничные условия. Помимо чисто математической функции замыкания дифференциальных уравнений второго порядка, эти условия должны соответствовать реальным процессам взаимодействия химических компонентов газовой смеси с материалом поверхности. Отметим, что многие распространенные граничные условия, использующие понятие вероятности гетерогенной рекомбинации, являются математической абстракцией и фактически не имеют физического и химического содержания. Задачу формирования граничных условий на каталитической поверхности твердого тела можно разделить на два этапа. На первом этапе необходимо определить последовательность элементарных процессов взаимодействия химических компонентов с поверхностной атомной структурой рассматриваемого материала. На втором этапе рассчитываются константы скорости полученной замкнутой системы гетерогенных каталитических реакций. Основные стадии гетерогенного катализа, состоящие из процессов адсорбции/десорбции газофазных частиц на свободных или занятых поверхностных адсорбционных центрах, поверхностной диффузии и рекомбинации/диссоциации адсорбированных частиц, были предложены в работах Ленгмюра. Константы скорости элементарных стадий могут быть найдены по теории переходного состояния, адаптированной к гетерогенным процессам. Граничными условиями на каталитической поверхности для уравнений диффузии являются скорости появления газофазных компонентов на поверхности, определяемые кинетикой гетерогенных каталитических реакций. Скорости отдельных каталитических реакций рассчитываются по закону действующих поверхностей, аналогичному закону действующих масс для газофазных химических реакций. При рассмотрении течения многокомпонентной газовой смеси, содержащей как гомоядерные, так и гетероядерные молекулы, важным вопросом является баланс скоростей их появления на обтекаемой поверхности в результате гетерогенных каталитических реакций. Например, при взаимодействии диссоциированного воздуха с каталитической поверхностью образуются молекулы кислорода, азота и оксида азота. Возникает вопрос: в какой степени для исследуемых материалов поверхности учет рекомбинации оксида азота в граничных условиях влияет на тепловые потоки к поверхности и химический состав газа в пристеночной области по сравнению с рекомбинацией гомоядерных молекул кислорода и азота? Эта задача решена на основе численного моделирования в рамках уравнений Навье-Стокса течения диссоциированного воздуха в ВЧ-плазмотроне с использованием ранее полученных авторами полных моделей гетерогенного катализа на поверхности $\beta$-кристобалита и карбида кремния. Численный расчет проводился с использованием программного комплекса HIGHTEMP, основанного на интегрировании полных уравнений Навье-Стокса на многоблочной структурированной криволинейной сетке с использованием метода конечных объемов и предназначенного для расчета внешних и внутренних течений. Рассматривалось течение частично диссоциированного и ионизированного химически неравновесного воздуха, состоящего из следующих компонентов: O, O+, N, N+, O2, O2+, N2, N2+, NO, NO+, e-. Для детального учета взаимодействия диссоциированной газовой смеси с поверхностью теплозащитного материала в блок задания граничных условий программного комплекса HIGHTEMP внесены соответствующие изменения. Константы скоростей гетерогенных реакций в рассматриваемом диапазоне температур для исследуемых материалов SiO_2 и SiC достаточно близки друг к друг. Различие в величинах соответствующих констант скоростей не превышает одного порядка. Отметим, что с ростом температуры от 849 до 1500 К константы скоростей адсорбции и ударной рекомбинации возрастают не более чем в три раза, а константы скоростей десорбции на 4÷6 порядков оставаясь при этом намного меньше величин остальных констант скоростей. Для поверхностей методами квантовой механики и теории переходного состояния ранее были получены наборы констант скоростей для системы гетерогенных химических реакций. Эти модели можно использовать в численном моделировании течения многокомпонентного газа около твердой поверхности и сравнить соответствующие полученные результаты для различных температур поверхности, которые определяют конкретные величины констант скоростей элементарных стадий модели катализа. Помимо констант элементарных стадий модель катализа характеризуется также и поверхностной плотностью центров адсорбции. Для идеального сечения кристаллической структуры теплозащитного материала плотность центров адсорбции обратно пропорциональна площади элементарной ячейки, отвечающей центру адсорбции. Плотность центров адсорбции реальной поверхности из-за наноструктурированности может превышать идеальную на два порядка. Точное определение этого параметра представляет собой очень сложную и дорогостоящую задачу. Наиболее доступным способом определения поверхностной плотности центров адсорбции и ее влияния на интенсивность каталитических процессов является варьирование этой величины в разумных пределах. Очевидно, что при уменьшении плотности центров адсорбции будет реализоваться выход на некаталитический режим взаимодействия газовой фазы с твердой поверхностью для любой модели гетерогенного катализа. Сравнение моделей состоит из двух моментов – в сравнении параметров потока при плотностях центров адсорбции, отвечающим идеальным сечениям для каждого материала, и анализе их изменения при варьировании плотности центров адсорбции. При идеальных $S_0$ и температуре поверхности 849 К тепловой поток для SiC превосходит тепловой поток для SiO_2 на 10% (за счет диффузионной части полного теплового потока), а при повышении температуры до 1500 К тепловые потоки практически сравниваются. Характер зависимости теплового потока от плотности центров адсорбции практически одинаков для SiO_2 и SiC во всем рассматриваемом диапазоне температур поверхности. Отметим, что при больших значениях $S_0$ диффузионная составляющая теплового потока, которая определяется каталитическими процессами на поверхности, существенно превосходит теплопроводную часть полного теплового потока (вплоть до 50%). Тепловой поток к поверхности обтекаемого тела является достаточно консервативной величиной по отношению к константам скоростей системы гетерогенных химических реакций, определяющие граничные условия на теле в задаче численного моделирования течения многокомпонентного газа около твердой поверхности. Поэтому более интересно рассмотреть состав газа около поверхности, скорости возникновения молекул $N_2,O_2$,NO в результате гетерогенной рекомбинации и степени заполнения поверхности адсорбированными частицами. Концентрации газофазных атомов кислорода и азота и молекул азота на поверхности достаточно близки для обоих рассматриваемых материалов во всем диапазоне изменения параметра $S_0$. На материале $SiO_2$ газофазные концентрации молекул окиси азота превосходят газофазные концентрации молекул кислорода для обеих температур поверхности. Но на материале SiC при низкой температуре поверхности (849 К) величина газофазной концентрации молекул кислорода больше соответствующей величины для молекул окиси азота. Нужно обратить внимание на усиление роста концентрации газофазных молекул окиси азота с ростом плотности центров адсорбции на обоих материалах при температуре поверхности 1500 К. При анализе полученных результатов возникает три вопроса – 1) почему при низкой температуре 849 К степени заполнения фактически не зависят от плотности центров адсорбции на обоих материалах, 2) почему при высокой температуре 1500 К степень заполнения поверхности атомами азота существенно падает при увеличении плотности центров адсорбции, а атомами кислорода по прежнему не изменяется, 3) почему значения степеней заполнения атомами кислорода и азота при температуре поверхности 849 К меняются местами для материалов SiO_2 и SiC, но при 1500 К с увеличением плотности центров адсорбции их порядок одинаков. Ответы на сформулированные вопросы даны ниже. 1) При бесконечном увеличении плотности центров адсорбции степени заполнения всегда будут стремиться к нулевым значениям. В рассматриваемом диапазоне плотности центров адсорбции (на два порядка больше и меньше идеального значения) степени заполнения поверхности определяются балансом величин констант скоростей элементарных стадий и значения плотности центров адсорбции. Такая ситуация объясняется тем, что интенсивность процессов поверхностной рекомбинации при низкой температуре недостаточна для влияния на изменение степеней заполнения поверхности во всем диапазоне изменений плотности центров адсорбции. В данном случае, степени заполнения поверхности определяются в основном процессами адсорбции/десорбции (замечание – когда есть только процессы адсорбции/десорбции, то степени заполнения очень слабо зависят от плотности центров адсорбции, а при равновесном протекании реакций полностью не зависят). 2) Уменьшение степени заполнения поверхности атомами азота для обоих материалов с увеличением плотности центров адсорбции определяется сильным ростом интенсивности образования на поверхности окиси азота в результате взаимодействия газофазных атомов азота с адсорбированными на поверхности атомами кислорода. Это приводит к уменьшению числа газофазных атомов азота, которые могут адсорбироваться на поверхности. 3) Атомы кислорода на поверхности материала SiC адсорбируются с меньшей скоростью чем на материале $SiO_2$, но скорость десорбции больше. Для атомов азота другая ситуация. Атомы азота на поверхности материала SiC адсорбируются с большей скоростью чем на материале $SiO_2$, но и скорость десорбции намного больше. В то же время скорость десорбции атомов азота на SiC всего на три, четыре порядка меньше скорости адсорбции (на $SiO_2$ – восемь, двенадцать порядков для рассматриваемых температур). Проведен расчет скоростей образования молекул на поверхности. Суммарная массовая скорость образования молекул на поверхности имеет для разных материалов схожую качественную зависимость от параметра S0 и практически не меняется в рассматриваемом диапазоне температур. На поверхности материала $SiO_2$ образование окиси азота дает главный вклад в процесс поверхностной рекомбинации как при низкой температуре поверхности, так и при высокой. Но, на материале SiC при температуре 849 K массовая скорость образования молекулы N2 превосходит скорость образования и NO и O2 на всем диапазоне параметра S0. Однако, при повышении температуры массовая скорость образования NO с ростом параметра S0 начинает превосходить скорости образования гомоядерных молекул. Для обоих материалов при температуре 1500 К резкий рост производства молекул NO при увеличении плотности центров адсорбции вызывает уменьшение скорости образования молекул азота и кислорода. В рассматриваемой системе реакций окись азота может образовываться на поверхности двумя путями - взаимодействием газофазного атома кислорода с адсорбированным атомом азота и газофазного атома азота с адсорбированным атомом кислорода. Рекомбинация окиси азота на поверхности $SiO_2$ практически полностью протекает по механизму, когда газофазный атом азота взаимодействует с адсорбированным на поверхности атомом кислорода для обеих температур. Для карбида кремния при высоких температурах структура образования NO аналогична структуре для SiO2. Но при низких температурах с увеличением параметра S0 вклады различных механизмов образования NO меняются местами. В результате расчетов получены концентрации компонентов газовой фазы вблизи поверхности, степень заполнения поверхности атомами кислорода и азота, конвективные тепловые потоки к поверхности и их структура (вклад теплопроводности и диффузии). Определены численные скорости образования молекул кислорода, азота и оксидов азота в результате гетерогенных каталитических реакций. Определены зависимости перечисленных характеристик течения в широком диапазоне плотностей адсорбционных центров. Показан вклад процессов диффузии и теплопроводности в тепловой поток к поверхности для различных режимов взаимодействия газа с материалами поверхности. Если понимать под каталитичностью суммарную массовую скорость производства всех молекул на поверхности, то оба материала близки по этому параметру. Однако, вклады процессов рекомбинации различных молекул для этих материалов существенным образом отличаются, что приводит к отличию в химическом составе газа на поверхности.
8 1 января 2026 г.-31 декабря 2026 г. Экспериментальное и теоретическое исследование кинетических процессов в газах
Результаты этапа: -
9 1 января 2027 г.-31 декабря 2027 г. Экспериментальное и теоретическое исследование кинетических процессов в газах
Результаты этапа: -
10 1 декабря 2028 г.-31 декабря 2028 г. Экспериментальное и теоретическое исследование кинетических процессов в газах
Результаты этапа: -
11 1 января 2029 г.-31 декабря 2029 г. Экспериментальное и теоретическое исследование кинетических процессов в газах
Результаты этапа: -

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".