Потоки тепла и излучения в сильно неравновесных течениях за ударными волнами
DOI:
https://doi.org/10.21638/spbu01.2022.412Аннотация
С использованием обобщенного метода Чепмена - Энскога построены поуровневая и двухтемпературная теоретические модели для описания высокотемпературных сильно неравновесных реагирующих течений воздуха и расчета потоков тепла и излучения. В теоретическом подходе выводятся расширенные системы уравнений гидродинамики, химической кинетики, кинетики внутренних энергетических переходов и излучения. Также разработаны алгоритмы расчета поуровневых коэффициентов переноса. Предложенные модели применяются для моделирования течения воздушной смеси за плоской ударной волной в условиях высоких температур, наблюдаемых в летных экспериментах. Получены распределения концентраций компонентов смеси, профили температуры и давления. Изучено влияние различных наборов коэффициентов скорости химических реакций. Показано, что параметры потока сильно зависят как от применяемого подхода кинетической теории, так и от выбора модели химических реакций: молярные доли компонентов смеси показывают существенно различное поведение для поуровневого и двухтемпературного подходов. Проведен расчет потоков тепла и излучения в зависимости от расстояния от фронта ударной волны. Установлено, что основной вклад в общий поток тепла вносит диффузия, тогда как роль теплопроводности слаба из-за наличия компенсационных эффектов. Показано, что в рассматриваемых условиях двухтемпературные модели неприменимы для корректного прогнозирования радиационного нагрева.
Ключевые слова:
поуровневая кинетика, электронное возбуждение, процессы переноса, поток тепла, поток излучения
Скачивания
Данные скачивания пока недоступны.
Библиографические ссылки
Литература
1. Reynier P. Survey of high-enthalpy shock facilities in the perspective of radiation and chemical kinetics investigations. Progress in Aerospace Sciences 85, 1-32 (2016). http://doi.org/10.1016/j.paerosci.2016.04.002
2. Cauchon D.L. Radiative heating results from Fire II flight experiment at a re- entry velocity of 11.4 km/s. NASA TM X-1402 (1967).
3. Johnston C.O., Hollis B.R., Sutton K. Nonequilibrium stagnation-line radiative heating for Fire II. Journal of Spacecraft and Rockets 45 (6), 1185-1195 (2008).
4. Panesi M., Magin T.E., Bourdon A., Bultel A., Chazot O. Fire II flight experiment analysis by means of a collisional-radiative model. J. Thermophys. Heat Transfer 23 (2), 236-248 (2009).
5. Surzhikov S.T. Radiative gas dynamics of the Fire-II superorbital space vehicle. Technical Physics 61 (3), 349-359 (2016). https://doi.org/10.1134/S1063784216030208
6. Nagnibeda E.A., Kustova E.V. Nonequilibrium Reacting Gas Flows. Kinetic Theory of Transport and Relaxation Processes. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg (2009).
7. Istomin V., Kustova E. State-specific transport properties of partially ionized flows of electronically excited atomic gases. Chem. Phys. 485-486, 125-139 (2017). http://dx.doi.org/10.1016 /j.chemphys.2017.01.012
8. Kustova E.V., Chikhaoui A. Kinetic modelling of radiative reacting gas flow under strong nonequilibrium conditions. Chem. Phys. 255, 59-71 (2000).
9. Aliat A., Chikhaoui A., Kustova E.V. Non-equilibrium kinetics of a radiative CO flow behind a shock wave. Phys. Review E 68, 056306 (2003).
10. Istomin V., Oblapenko G. Transport coefficients in high-temperature ionized air flows with electronic excitation. Physics of Plasmas 25 (1), 013514 (2018). https://doi.org/10.1063/1.5017167
11. Kunova O., Kustova E.M. Mekhonoshina, Nagnibeda E. Non-equilibrium kinetics, diffusion and heat transfer in shock heated flows of N2/N and O2/O mixtures. Chem. Phys. 463, 70-81 (2015). http://doi.org/10.1016/j.chemphys.2015.10.004
12. Istomin V., Kustova E. Transport coefficients and heat fluxes in non-equilibrium high-temperature flows with electronic excitation. Physics of Plasmas 24 (2), 022109 (2017). http://doi.org/10.1063/1.4975315
13. Землянский Б.А., Лунев В.В., Власов В.И., Горшков А.Б., Залогин Г.Н., Ковалев Р.В., Маринин В.П., Мурзинов И.Н. Конвективный теплообмен летательных аппаратов. Москва, Физматлит, 2014.
14. Prutko K.A. Radiating gas behind strong shock waves with non-equilibrium ionization processes. Physical-Chemical Kinetics in Gas Dynamics 17 (3), 851-872 (2016). https://doi.org/10.18721/JPM.10207
15. Cunto W. Topbase at the cds. Astronomy and Astrophysics 275, L5-L8 (1993).
16. Mallard W.G., Westley F., Herron J.T., Hampson R.F. IST Chemical Kinetics Database - Ver. 6.0. NIST Standard Reference Data, Gaithersburg, MD (1994).
17. Zel’dovich Ya.B., Raiser Yu.P. Physics of Shock Waves and High-Temperature Hydrodynamic Phenomena. New York, Academic Press (1967).
18. Park C. Chemical-kinetic problems of future nasa missions. i. earth entries. Journal of Ther mophysics and Heat Transfer 7 (3), 385-398 (1993).
19. Cambier J.L., Kapper M.G. Ionizing shocks in argon. Рart 1: Collisional-radiative model and steady-state structure. Journal of Applied Physics 109, 113308 (2011). https://doi.org/10.1063 /1.3585688
20. Millikan R.C., White D.R. Systematics of vibrational relaxation. J. Chem. Phys. 39, 3209-3213 (1963).
21. Grinstead J., Wilder M., Olejniczak J., Bogdanoff D., Allen G., Dang K., Forrest M. Shock Heated Air Radiation Measurements at Lunar Return Conditions. Session: TP-9: CEV Aerosciences II 1244, 092407 (2008). https://doi.org/10.2514/6.2008-1244
References
1. Reynier P. Survey of high-enthalpy shock facilities in the perspective of radiation and chemical kinetics investigations. Progress in Aerospace Sciences 85, 1-32 (2016). http://doi.org/10.1016/j.paerosci.2016.04.002
2. Cauchon D.L. Radiative heating results from Fire II flight experiment at a re- entry velocity of 11.4 km/s. NASA TM X-1402 (1967).
3. Johnston C.O., Hollis B.R., Sutton K. Nonequilibrium stagnation-line radiative heating for Fire II. Journal of Spacecraft and Rockets 45 (6), 1185-1195 (2008).
4. Panesi M., Magin T.E., Bourdon A., Bultel A., Chazot O. Fire II flight experiment analysis by means of a collisional-radiative model. J. Thermophys. Heat Transfer 23 (2), 236-248 (2009).
5. Surzhikov S.T. Radiative gas dynamics of the Fire-II superorbital space vehicle. Technical Physics 61 (3), 349-359 (2016). https://doi.org/10.1134/S1063784216030208
6. Nagnibeda E.A., Kustova E.V. Nonequilibrium Reacting Gas Flows. Kinetic Theory of Transport and Relaxation Processes. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg (2009).
7. Istomin V., Kustova E. State-specific transport properties of partially ionized flows of electronically excited atomic gases. Chem. Phys. 485-486, 125-139 (2017). http://dx.doi.org/10.1016 /j.chemphys.2017.01.012
8. Kustova E.V., Chikhaoui A. Kinetic modelling of radiative reacting gas flow under strong nonequilibrium conditions. Chem. Phys. 255, 59-71 (2000).
9. Aliat A., Chikhaoui A., Kustova E.V. Non-equilibrium kinetics of a radiative CO flow behind a shock wave. Phys. Review E 68, 056306 (2003).
10. Istomin V., Oblapenko G. Transport coefficients in high-temperature ionized air flows with electronic excitation. Physics of Plasmas 25 (1), 013514 (2018). https://doi.org/10.1063/1.5017167
11. Kunova O., Kustova E.M. Mekhonoshina, Nagnibeda E. Non-equilibrium kinetics, diffusion and heat transfer in shock heated flows of N2/N and O2/O mixtures. Chem. Phys. 463, 70-81 (2015). http://doi.org/10.1016/j.chemphys.2015.10.004
12. Istomin V., Kustova E. Transport coefficients and heat fluxes in non-equilibrium high-temperature flows with electronic excitation. Physics of Plasmas 24 (2), 022109 (2017). http://doi.org/10.1063/1.4975315
13. Zemlyanskiy B.A., Lunev V.V., Vlasov V.I., Gorshkov A.B., Zalogin G.N., Kovalev R.V., Marinin V.P., Murzinov I.N. Convective heat transfer of aircrafts. Moscow, Fizmatlit Publ. (2014). (In Russian)
14. Prutko K.A. Radiating gas behind strong shock waves with non-equilibrium ionization processes. Physical-Chemical Kinetics in Gas Dynamics 17 (3), 851-872 (2016). https://doi.org/10.18721/JPM.10207
15. Cunto W. Topbase at the cds. Astronomy and Astrophysics 275, L5-L8 (1993).
16. Mallard W.G., Westley F., Herron J.T., Hampson R.F. IST Chemical Kinetics Database - Ver. 6.0. NIST Standard Reference Data, Gaithersburg, MD (1994).
17. Zel’dovich Ya.B., Raiser Yu.P. Physics of Shock Waves and High-Temperature Hydrodynamic Phenomena. New York, Academic Press (1967).
18. Park C. Chemical-kinetic problems of future nasa missions. i. earth entries. Journal of Ther mophysics and Heat Transfer 7 (3), 385-398 (1993).
19. Cambier J.L., Kapper M.G. Ionizing shocks in argon. Рart 1: Collisional-radiative model and steady-state structure. Journal of Applied Physics 109, 113308 (2011). https://doi.org/10.1063 /1.3585688
20. Millikan R.C., White D.R. Systematics of vibrational relaxation. J. Chem. Phys. 39, 3209-3213 (1963).
21. Grinstead J., Wilder M., Olejniczak J., Bogdanoff D., Allen G., Dang K., Forrest M. Shock Heated Air Radiation Measurements at Lunar Return Conditions. Session: TP-9: CEV Aerosciences II 1244, 092407 (2008). https://doi.org/10.2514/6.2008-1244
Загрузки
Опубликован
26.12.2022
Как цитировать
Истомин, В. А., Кустова, Е. В., & Прутько, К. А. (2022). Потоки тепла и излучения в сильно неравновесных течениях за ударными волнами. Вестник Санкт-Петербургского университета. Математика. Механика. Астрономия, 9(4), 705–719. https://doi.org/10.21638/spbu01.2022.412
Выпуск
Раздел
Механика
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.
