Моделирование поуровневой кинетики кислорода за отраженными ударными волнами
DOI:
https://doi.org/10.21638/spbu01.2022.304Аннотация
Исследуется связанная задача газовой динамики, колебательной релаксации и диссоциации при течении кислорода за отраженными ударными волнами. Использовано приближение детальной поуровневой кинетики, основанное на совместном решении уравнений сохранения импульса и энергии с уравнениями баланса заселенностей колебательных состояний молекул и концентраций атомов кислорода. Рассмотрены условия, реализованные в недавних экспериментах в ударных трубах. Для разных моделей физико-химических процессов проводится сравнение с экспериментальными данными; варьируя параметры моделей, удается добиться удовлетворительного согласия всех газодинамических параметров с результатами измерений. Ключевой особенностью использованного подхода является учет частичной колебательно-химической релаксации в промежутке времени между прохождением падающей и отраженной ударных волн. Отказ от предположения о замороженной релаксации приводит к тому, что отраженная ударная волна распространяется по колебательно неравновесному газу, что существенно влияет на кинетику и газовую динамику. Учет частичной релаксации обеспечивает хорошее согласие рассчитанного за фронтом отраженной ударной волны давления с давлением, измеренным в эксперименте. С другой стороны, сравнение с колебательной температурой, вычисленной косвенно по спектроскопическим экспериментальным данным в предположении замороженной релаксации, показывает заметные различия вблизи фронта волны. Сделан вывод о целесообразности усовершенствования методики пересчета газодинамических параметров с учетом колебательного возбуждения перед фронтом отраженной ударной волны.
Ключевые слова:
колебательная релаксация, диссоциация, поуровневая кинетика, кислород, отраженная ударная волна
Скачивания
Данные скачивания пока недоступны.
Библиографические ссылки
Литература
1. Нагнибеда Е.А., Кустова Е.В. Кинетическая теория процессов переноса и релаксации в потоках неравновесных реагирующих газов. Санкт-Петербург, Изд-во С.-Петерб. ун-та (2003).
2. Campoli L., Kunova O., Kustova E., Melnik M. Models validation and code profiling in state-to-state simulations of shock heated air flows. Acta Astronautica 175, 493-509 (2020). https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2020.06.008
3. Gimelshein S.F., Wysong I.J., Fangman A.J., Andrienko D.A., Kunova O.V., Kustova E.V., Garbacz C., Fossati M., Hanquist K. Kinetic and Continuum Modeling of High-Temperature Oxygen and Nitrogen Binary Mixtures. J. Thermophys. Heat Transf. 36 (2), 399-418 (2022). https://doi.org/10.2514/1.T6258
4. Мишина А.И., Кустова Е.В. Пространственно однородная релаксация молекул CO с учетом резонансных VE-обменов. Вестник Санкт-Петербургского университета. Математика. Механика. Астрономия 4 (62), вып. 2, 310-322 (2017). https://doi.org/10.21638/11701/spbu01.2017.215
5. Кунова О.В., Кустова Е.В., Мельник М.Ю., Савельев А.С. Валидация моделей по уровневой кинетики кислорода за фронтом ударнойволны. Физико-химическая кинетика в газовой динамике 19 (3) (2018). http://doi.org/10.33257/PhChGD.19.3.765
6. Gimelshein S.F. Particle Modeling of Reflected Shock Waves. J. Thermophys. Heat Transf. 35 (2), 362-371 (2021). https://doi.org/10.2514/1.T6103
7. Алексеев И.В., Кустова Е.В. Численное моделирование ударнойволны в вязком углекислом газе методом конечных объемов. Вестник Санкт-Петербургского университета. Математика. Механика. Астрономия 7 (65), вып. 3, 500-510 (2020). https://doi.org/10.21638/spbu01.2020.312
8. Ibraguimova L.B., Sergievskaya A.L., Levashov V.Yu., Shatalov O.P., Tunik Yu.V., Zabelinskii I. E. Investigation of oxygen dissociation and vibrational relaxation at temperatures 4000-10800 K.J. Chem. Phys. 139, 034317 (2013). https://doi.org/10.1063/1.4813070
9. Luo H., Sebasti˜ao I.B., Alexeenko A.A., Macheret S.O. Classical impulsive model for dissociation of diatomic molecules in direct simulation Monte Carlo. Phys. Rev. Fluids 3, 113401 (2018). https://doi.org/10.1103/PhysRevFluids.3.113401
10. Gimelshein S.F., Wysong I.J., Bykova N.G., Shatalov O.P., Zabelinskii I.E. Improved Analysis of O2 Ultraviolet Absorption Spectra Under Nonequilibrium Shock Conditions. AIAA Journal 58 (10), 4451-4460 (2020). https://doi.org/10.2514/1.J058961
11. Streicher J.W., Krish A., Hanson R.K. Coupled vibration-dissociation time-histories and rate measurements in shock-heated, nondilute O2 and O2 - Ar mixtures from 6000 to 14000 K. Phys. Fluids 33, 056107 (2021). https://doi.org/10.1063/5.0048059
12. Schwartz R.N., Slawsky Z.I., Herzfeld K.F. Calculation of vibrational relaxation times in gases. J. Chem. Phys. 20 (10), 1591-1599 (1952). https://doi.org/10.1063/1.1700221
13. Adamovich I., Macheret S., Rich J., Treanor C. Vibrational energy transfer rates using a forced harmonic oscillator model. J. Thermophys. Heat Transf. 12 (1), 57-65 (1998). https://doi.org/10.2514/2.6302
14. Marrone P., Treanor C. Chemical relaxation with preferential dissociation from excited vibrational levels. Phys. Fluids 6 (9), 1215-1221 (1963). https://doi.org/10.1063/1.1706888
15. Kunova O., Kustova E., Savelev A. Generalized Treanor - Marrone model for state-specific dissociation rate coefficients. Chemical Physics Letter 659, 80-87 (2016). http://dx.doi.org/10.1016/j.cplett.2016.07.006
16. Погосбекян М.Ю., Сергиевская А.Л. Моделирование реакции диссоциации кислорода в термически неравновесных условиях: модели, траекторные расчеты, эксперимент. Химическая физика 37 (4), 20-31 (2018). https://doi.org/10.7868/S0207401X18040039
17. Park C., Howe J.T., Jaffe R.L., Candler G.V. Review of Chemical-Kinetic Problems of Future NASA Missions, II: Mars Entries. J. Thermophys. Heat Tran. 8 (1), 9-23 (1994). https://doi.org/10.2514/3.496
18. Adamovich I. Three-dimensional analytic probabilities of coupled vibrational-rotational translational energy transfer for DSMC modeling of nonequilibrium flows. Phys. Fluids 26 (4), 046102 (2014). https://doi.org/10.1063/1.4872336
References
1. Nagnibeda E.A., Kustova E.V. Kineticheskaja teorija processov perenosa i relaksacii v potokah neravnovesnyh reagirujushhih gazov. St Petersburg, St Petersburg University Press (2009). (In Russian) [Eng. transl.: Nagnibeda E., Kustova E. Nonequilibrium Reacting Gas Flows. Kinetic Theory of Transport and Relaxation Processes. In Ser.: Heat and Mass Transfer. Berlin, Heidelberg, Springer-Verlag (2009)].
2. Campoli L., Kunova O., Kustova E., Melnik M. Models validation and code profiling in state-to-state simulations of shock heated air flows. Acta Astronautica 175, 493-509 (2020). https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2020.06.008
3. Gimelshein S.F., Wysong I.J., Fangman A.J., Andrienko D.A., Kunova O.V., Kustova E.V., Garbacz C., Fossati M., Hanquist K. Kinetic and Continuum Modeling of High-Temperature Oxygen and Nitrogen Binary Mixtures. J. Thermophys. Heat Transf. 36 (2), 399-418 (2022). https://doi.org/10.2514/1.T6258
4. Mishina A.I., Kustova E.V. Spatially homogeneous relaxation of CO molecules withresonant VE transitions. Vestnik of Saint Petersburg University. Mathematics. Mechanics. Astronomy 4 (62), iss. 2, 310-322 (2017). https://doi.org/10.21638/11701/spbu01.2017.215 (In Russian) [Eng. transl.: Vestnik St Petersb. Univ. Math. 50, 188-197 (2017). https://doi.org/10.3103/S1063454117020108].
5. Kunova O.V., Kustova E.V., Melnik M.Yu., Savelev A.S. Validation of models of stateto-state oxygen kinetics behind shock waves Phys. Chem. Kinetics Gas Dynam. 19 (3) (2018). http://doi.org/10.33257/PhChGD.19.3.765 (In Russian)
6. Gimelshein S.F. Particle Modeling of Reflected Shock Waves. J. Thermophys. Heat Transf. 35 (2), 362-371 (2021). https://doi.org/10.2514/1.T6103
7. Alekseev I.V., Kustova E.V. Numerical simulations of shockwaves in viscous carbon dioxide flows using finite volume method. Vestnik of Saint Petersburg University. Mathematics. Mechanics. Astronomy 7 (65), iss. 3, 500-510 (2020). https://doi.org/10.21638/spbu01.2020.312 (In Russian) [Eng. transl.: Vestnik St Petersb. Univ. Math. 53, 344-350 (2020). https://doi.org/10.1134/S1063454120030024].
8. Ibraguimova L.B., Sergievskaya A.L., Levashov V.Yu., Shatalov O.P., Tunik Yu.V., Zabelinskii I. E. Investigation of oxygen dissociation and vibrational relaxation at temperatures 4000-10800 K.J. Chem. Phys. 139, 034317 (2013). https://doi.org/10.1063/1.4813070
9. Luo H., Sebasti˜ao I.B., Alexeenko A.A., Macheret S.O. Classical impulsive model for dissociation of diatomic molecules in direct simulation Monte Carlo. Phys. Rev. Fluids 3, 113401 (2018). https://doi.org/10.1103/PhysRevFluids.3.113401
10. Gimelshein S.F., Wysong I.J., Bykova N.G., Shatalov O.P., Zabelinskii I.E. Improved Analysis of O2 Ultraviolet Absorption Spectra Under Nonequilibrium Shock Conditions. AIAA Journal 58 (10), 4451-4460 (2020). https://doi.org/10.2514/1.J058961
11. Streicher J.W., Krish A., Hanson R.K. Coupled vibration-dissociation time-histories and rate measurements in shock-heated, nondilute O2 and O2 - Ar mixtures from 6000 to 14000 K. Phys. Fluids 33, 056107 (2021). https://doi.org/10.1063/5.0048059
12. Schwartz R.N., Slawsky Z.I., Herzfeld K.F. Calculation of vibrational relaxation times in gases. J. Chem. Phys. 20 (10), 1591-1599 (1952). https://doi.org/10.1063/1.1700221
13. Adamovich I., Macheret S., Rich J., Treanor C. Vibrational energy transfer rates using a forced harmonic oscillator model. J. Thermophys. Heat Transf. 12 (1), 57-65 (1998). https://doi.org/10.2514/2.6302
14. Marrone P., Treanor C. Chemical relaxation with preferential dissociation from excited vibrational levels. Phys. Fluids 6 (9), 1215-1221 (1963). https://doi.org/10.1063/1.1706888
15. Kunova O., Kustova E., Savelev A. Generalized Treanor - Marrone model for state-specific dissociation rate coefficients. Chemical Physics Letter 659, 80-87 (2016). http://dx.doi.org/10.1016/j.cplett.2016.07.006
16. Pogosbekyan M., Sergievskaya A. Simulation of the oxygen dissociation reaction under thermally nonequilibrium conditions: models, trajectory calculations, and the experiment. Himicheskaja fizika 37 (4), 20-31 (2018). https://doi.org/10.7868/S0207401X18040039 (In Russian) [Eng. transl.: Russ. J. Phys. Chem. B 12, 208-218 (2018). https://doi.org/10.1134/S1990793118020239].
17. Park C., Howe J.T., Jaffe R.L., Candler G.V. Review of Chemical-Kinetic Problems of Future NASA Missions, II: Mars Entries. J. Thermophys. Heat Tran. 8 (1), 9-23 (1994). https://doi.org/10.2514/3.496
18. Adamovich I. Three-dimensional analytic probabilities of coupled vibrational-rotational translational energy transfer for DSMC modeling of nonequilibrium flows. Phys. Fluids 26 (4), 046102 (2014). https://doi.org/10.1063/1.4872336
Загрузки
Опубликован
10.10.2022
Как цитировать
Кравченко, Д. С., Кустова, Е. В., & Мельник, М. Ю. (2022). Моделирование поуровневой кинетики кислорода за отраженными ударными волнами. Вестник Санкт-Петербургского университета. Математика. Механика. Астрономия, 9(3), 426–439. https://doi.org/10.21638/spbu01.2022.304
Выпуск
Раздел
К юбилею Н.Ф. Морозова
Лицензия
Статьи журнала «Вестник Санкт-Петербургского университета. Математика. Механика. Астрономия» находятся в открытом доступе и распространяются в соответствии с условиями Лицензионного Договора с Санкт-Петербургским государственным университетом, который бесплатно предоставляет авторам неограниченное распространение и самостоятельное архивирование.
