Моделирование неравновесных процессов за ударной волной в смеси углекислого газа и аргона
DOI:
https://doi.org/10.21638/spbu01.2023.209Аннотация
В работе построена замкнутая самосогласованная модель неравновесного течения смеси углекислого газа и аргона за фронтом плоской ударной волны. Использован обобщенный метод Чепмена - Энскога в трехтемпературном приближении, учитывающем различные каналы колебательной релаксации в молекуле углекислого газа. Записана расширенная система уравнений Навье - Стокса - Фурье, состоящая из уравнений сохранения массы, импульса и энергии, дополненных уравнениями диффузии компонентов смеси и релаксационными уравнениями для колебательных мод молекулы CO2. Получены замыкающие соотношения для тензора напряжений, скорости диффузии, теплового потока и потоков колебательной энергии. Разработан и реализован алгоритм расчета коэффициентов сдвиговой и объемной вязкости, теплопроводности различных степеней свободы, диффузии и термодиффузии. Проведена валидация модели путем сравнения с экспериментальными данными для вязкости и теплопроводности углекислого газа и аргона, а также для коэффициента бинарной диффузии. Получено хорошее согласие с экспериментом. Проведен анализ зависимости коэффициентов переноса от температуры газа, температур колебательных мод и состава смеси. Разработанная модель готова для использования в численном моделировании ударных волн в смеси CO2-Ar.Ключевые слова:
коэффициенты переноса, трехтемпературная модель, ударная волна, углекислый газ, аргон
Скачивания
Данные скачивания пока недоступны.
Библиографические ссылки
Литература
1. Pietanza L. D., Guaitella O., Aquilanti V., Armenise I. Advances in non-equilibrium CO2 plasma kinetics: a theoretical and experimental review. The European Physical Journal D 75 (9) 237 (2021). https://doi.org/10.1140/epjd/s10053-021-00226-0
2. Нагнибеда Е. А., Кустова Е. В. Кинетическая теория процессов переноса и релаксации в потокахнеравновесныхреагирующихгазов. Санкт-Петербург, Изд-во С.-Петерб. ун-та (2003).
3. Alekseev I., Kustova Е. Extended continuum models for shock waves in CO2. Physics of Fluids 33, 096101 (2021).
4. 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
5. Kustova E. V., Nagnibeda E. A. On a correct description of a multi-temperature dissociating CO2 flow. Chem. Phys. 321, 293-310 (2006).
6. Elizarova T., Khokhlov A., Montero S. Numerical simulation of shock wave structure in nitrogen. Physics of Fluids 19, 068102 (2007).
7. Timokhin M. Y., Struchtrup H., Kokhanchik A. A., Bondar Y. A. Different variants of R13 moment equations applied to the shock-wave structure. Physics of Fluids 29 (3), 037105 (2017).
8. Shoev G. V., Timokhin M. Y., Bondar Y. A. On the total enthalpy behavior inside a shock wave. Physics of Fluids 32 (4), 041703 (2020).
9. Wysong I., Gimelshein S., Bondar Y., Ivanov M. Comparison of direct simulation Monte-Carlo chemistry and vibrational models applied to oxygen shock measurements. Physics of Fluids 26 (4), 043101 (2014).
10. Alsmeyer H. Density profiles in argon and nitrogen shock waves measured by the absorption of an electron beam. J. Fluid. Mech. 74, 497-513 (1976).
11. 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
12. 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 14 000 K. Physics of Fluids 33, 056107 (2021). https://doi.org/10.1063/5.0048059
13. Farooq A., Jeffries J. B., Hanson R. K. Sensitive detection of temperature behind reflected shock waves using wavelength modulation spectroscopy of CO2 near 2.7 μm. Appl. Phys. B 96, 161-173 (2009).
14. Kustova E., Mekhonoshina M. Multi-temperature vibrational energy relaxation rates in CO2. Physics of Fluids 32, 096101 (2020). https://doi.org/10.1063/5.0021654
15. Варгафтик Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. Москва, Наука (1972).
16. Trengove R. D., Wakeham W. A. The Viscosity of Carbon Dioxide, Methane, and Sulfur Hexafluoride in the Limit of Zero Density. J. Phys. Chem. Ref. Data 16, 175 (1987). https://doi.org/10.1063/1.555777.
17. Григорьев И. С., Мейлихов Е. З. (ред.) Физические величины. Cправочник. Москва, Энергоатомиздат (1991).
References
1. Pietanza L. D., Guaitella O., Aquilanti V. Aquilanti V. Advances in non-equilibrium CO2 plasma kinetics: a theoretical and experimental review. The European Physical Journal D 75 (9) 237 (2021). https://doi.org/10.1140/epjd/s10053-021-00226-0
2. Nagnibeda E. А., Kustova E. V. Kineticheskaia teoriia protsessov perenosa i relaksatsii v potokakh neravnovesnykh reagiruiushchikh gazov. St Petersburg, St Рetersburg University Press (2003). (In Russian) [Eng. transl.: Nagnibeda E., Kustova E. Nonequilibrium Reacting Gas Flows: Kinetic Theory of Transport and Relaxation Processes. Berlin; Heidelberg, Springer Verlag (2009)].
3. Alekseev I., Kustova Е. Extended continuum models for shock waves in CO2. Physics of Fluids 33, 096101 (2021).
4. Alekseev I., Kustova E. Numerical simulations of shock waves in viscous carbon dioxide flows using finite volume method. Vestnik of Saint Petersburg University. Mathematics. Mechanics. Astronomy (In Russian) 7 (65), iss. 3, 500-510 (2020). https://doi.org/10.21638/spbu01.2020.312 (In Russian) [Eng. transl.: Vestnik St Petersburg University. Mathematics 53 (3), 344-350 (2020). https://doi.org/10.1134/S1063454120030024].
5. Kustova E. V., Nagnibeda E. A. On a correct description of a multi-temperature dissociating CO2 flow. Chem. Phys. 321, 293-310 (2006).
6. Elizarova T., Khokhlov A., Montero S. Numerical simulation of shock wave structure in nitrogen. Physics of Fluids 19, 068102 (2007).
7. Timokhin M. Y., Struchtrup H., Kokhanchik A. A., Bondar Y. A. Different variants of R13 moment equations applied to the shock-wave structure. Physics of Fluids 29 (3), 037105 (2017).
8. Shoev G. V., Timokhin M. Y., Bondar Y. A. On the total enthalpy behavior inside a shock wave. Physics of Fluids 32 (4), 041703 (2020).
9. Wysong I., Gimelshein S., Bondar Y., Ivanov M. Comparison of direct simulation Monte-Carlo chemistry and vibrational models applied to oxygen shock measurements. Physics of Fluids 26 (4), 043101 (2014).
10. Alsmeyer H. Density profiles in argon and nitrogen shock waves measured by the absorption of an electron beam. J. Fluid. Mech. 74, 497-513 (1976).
11. 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
12. 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 14 000 K. Physics of Fluids 33, 056107 (2021). https://doi.org/10.1063/5.0048059
13. Farooq A., Jeffries J. B., Hanson R. K. Sensitive detection of temperature behind reflected shock waves using wavelength modulation spectroscopy of CO2 near 2.7 μm. Appl. Phys. B 96, 161-173 (2009).
14. Kustova E., Mekhonoshina M. Multi-temperature vibrational energy relaxation rates in CO2. Physics of Fluids 32, 096101 (2020). https://doi.org/10.1063/5.0021654
15. Vargaftik N. B. Tables on the thermophysical properties of gases and liquids. Moscow, Nauka Publ. (1972). (In Russian)
16. Trengove R. D., Wakeham W. A. The Viscosity of Carbon Dioxide, Methane, and Sulfur Hexafluoride in the Limit of Zero Density. J. Phys. Chem. Ref. Data 16, 175 (1987). https://doi.org/10.1063/1.555777
17. Grigoriev I. S., Meilikhov E. Z. (eds). Physical quantities. Handbook. Moscow, Energoatomizdat Publ. (1991). (In Russian)
Загрузки
Опубликован
10.05.2023
Как цитировать
Баталов, С. А., & Кустова, Е. В. (2023). Моделирование неравновесных процессов за ударной волной в смеси углекислого газа и аргона. Вестник Санкт-Петербургского университета. Математика. Механика. Астрономия, 10(2), 277–288. https://doi.org/10.21638/spbu01.2023.209
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.
