|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ФНКЦ РР |
||
Экспериментальное и теоретическое исследование кинетических процессов в газах.НИР
Experimental and theoretical study of kinetic processes in gases
- Руководители НИР: Левашов В.Ю., Шаталов О.П.
- Участники НИР: Акимов Ю.В., Быкова Н.Г., Герасимов Г.Я., ЗАБЕЛИНСКИЙ И.Е., Ибрагимова Л.Б., Козлов П.В., Левашов В.Ю., Ленская М.К., Майоров В.О., Павлов В.А., Погосбекян М.Ю., Сергиевская А.Л., Суржикова Т.А., Туник Ю.В., Храпак Н.А.
- Подразделение: Научно-исследовательский институт механики
- Срок исполнения: 1 января 2016 г. - 31 декабря 2018 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 4.1
- Номер ЦИТИС: АААА-А16-116021110206-7
- Тип: Фундаментальная
- Приоритетное направление научных исследований: Движение сплошных сред с физико-химическими превращениями
- ПН России: Транспортные и космические системы
- Направление технологического прорыва России: Энергоэффективность и энергосбережение
- Критическая технология России: Технологии создания ракетно-космической и транспортной техники нового поколения
-
Рубрики ГРНТИ:
- 30.17.33 Газовая динамика
- 29.17.15 Газы
- 29.27.25 Ударные волны
- 30.17.35 Тепломассоперенос
- Классификатор OECD: Физика жидкости и плазмы, Атомная, молекулярная и химическая физика, Оптика
-
Ключевые слова:
воздушная плазма, спектроскопия, метод квазиклассических траекторий, модели процессов излучения, радиационная газовая динамика, физико-химическая кинетика, поверхность потенциальной энергии, ударная волна
air plasma, database, physical and chemical kinetics, shock wave, method of quasi-classical trajectory, spectroscopy, radiation processes models, molecular-dynamics, detonation, radiation gas dynamics, potential energy surface -
Описание:
Получение данных об абсолютных интенсивностях излучения воздуха, СО2 и смесей СО2+N2 за фронтом сильных ударных волн. (Акимов Ю.В., Быкова Н.Г., Забелинский И.Е., Левашов В.Ю., Шаталов О.П.) Определение конфигурации осесимметричного канала и параметров набегающего потока, обеспечивающих стабильное детонационное горение водородовоздушной смеси в условиях атмосферы на высотах более 20 км. (Туник Ю.В.) Получение данных о константах скорости реакций Зельдовича в воздухе и о времени колебательной релаксации при высоких температурах в столкновениях O2+O и N2+N. (Погосбекян М.Ю.). Численная кинетическая модель излучения атомов N и O в условиях плазмы. (Быкова Н.Г., Ибрагимова Л.Б., Левашов В.Ю., Шаталов О.П.). Разработка кинетической модели радиационно-химического преобразования полихлорированных диоксинов,численные расчеты и сравнение полученных результатов с имеющимися экспериментальными данными. (Герасимов Г.Я.) Исследование излучения окиси азота за фронтом ударной волны при скоростях до 4-10,5 км/с. (Акимов Ю.В., Козлов П.В.) Включение моделей колебательного энергообмена в Интернет-Каталог математических моделей физико-химических процессов в газах, их верификация при сравнении с результатами траекторных расчетов, определение границ применимости различных моделей. (Сергиевская А.Л., Суржикова Т.А.) Продемонстрирована прозрачность воздушной плазмы с концентрацией электронов 1012 – 1014 см-3 за фронтом ударной волны для лазерного излучения на длине волны 1,55 мкм, что в принципе снимает проблему потери радиосвязи со спускаемым космическим аппаратом в атмосфере Земли. Исп. нс Быкова Н.Г., нс Забелинский И.Е., зав. лаб.Шаталов О.П. (и коллеги из Института общей физики РАН).
-
Abstract:
On the basis of experimental data for argon radiation behind the front of a strong shock wave at velocity in the range of 4.5-7.8 km/s,informationis about the delay time, starts emission rise, and the rate of its maximum intensity, is obtained, depending on the speed of the shock wave. Nitric oxide radiation behind the shock front at speeds 4-10,5 km/s experimentally investigated. The spectral and temporal distribution of NO emission are measured in absolute units. The kinetic aspects of the radiation-chemical conversion of polychlorinated dioxins in the gases from industrial plants are studied. The models of VT-vibrational transitions(Landau-Teller formula, the SSH-theory and the theory of retarded rotation)are included in the Internet Catalog. For the process of dissociation and vibrational relaxation O₂ + O the key kinetic characteristics obtained (the probabilities of vibrational transitions,level and two-temperature rate constants) Based on the decision of two-dimensional non-stationary Euler equations for multicomponent gas flows the possibility of stabilization of detonation combustion of hydrogen mixtures, coming at a supersonic speed in Laval nozzle with a central body in the conditions prevailing in the atmosphere at altitudes up to 30 km.The transparency of an air plasma with an electron density of 1012-1014 cm-3 behind the front of the shock wave for laser radiation at a wavelength of 1.55 μm is demonstrated, which in principle removes the problem of loss of radio communication with a descending spacecraft in the Earth's atmosphere.
-
Планируемые результаты:
Измерение абсолютных интенсивностей излучения в падающих ударных волнах в следующих смесях газов: модельный воздух (20% кислорода и 80% азота), модельный Марс (двуокись углекислого газа и молекулярного азота (96% СO2 + 4% N2) Исследование возможности стабилизации детонационного горения водородовоздушных смесей, поступающих с высокой сверхзвуковой скоростью в сопло Лаваля с центральным телом «цилиндр-конус» в условиях, характерных для атмосферы на высотах до 30 км. Для процесса диссоциации и колебательной релаксации O₂+O и N₂+N получение ключевых кинетических характеристик процессов (вероятности колебательных переходов, уровневые и двухтемпературные константы скорости). Построение кинетической модели процесса радиационно-химического преобразования полихлорированных диоксинов в отходящих газах промышленных предприятий. Проведение численных расчетов и сравнение полученных результатов с имеющимися экспериментальными данными. Получение спектральных и временных распределений излучения NO за фронтом ударной волны при скоростях до 4-10,5 км/с в абсолютных единицах спектральной яркости. Включение в Интернет-Каталог моделей колебательных VT-переходов по трем формулам (Ландау-Теллера, по SSH-теории и по теории заторможенного вращения). Рассмотрение таких целевых функций, как константы скорости и время колебательной релаксации.
-
Научный задел:
Работы по исследованию процессов в ударно нагретых газах осуществляется научным коллективом на протяжении ряда лет. Лаборатория кинетических процессов в газах оснащена экспериментальным комплексом «Ударная труба», предназначенным для изучения физико-химических процессов в чистых газах и различных газовых смесях при высоких температурах от 1000 до 60000 К и давлениях газа от 0.1 атм до 10 атм. Такие условия достигаются в исследуемом газе за фронтом ударной волны, распространяющейся по каналу ударной трубы с высокими скоростями 1.5 – 11.4км/с. Проведены исследования высокотемпературных процессов в различных газах и их смесях: кислороде, азоте, углекислом газе, в том числе в смесях газов, моделирующих атмосферы планет Земли, Марса, Венеры и т.д. На примере молекулы кислорода исследовался процесс диссоциации в условиях термической неравновесности с большим временным разрешением. Получены значения констант скорости диссоциации молекул кислорода как в условиях термически равновесной среды, так и в термически неравновесных. Для измерения колебательной температуры молекул кислорода за фронтом ударной волны был предложен оригинальный метод, основанный на сравнении измеренных абсорбционных характеристик и рассчитанных спектров поглощения кислорода в области длин волн системы Шумана-Рунге кислорода. Предложен подход к моделированию кинетики возбуждения и расселения возбужденных электронных уровней атома аргона, излучение которых наблюдается в экспериментах. Рассматривался чистый аргон и аргон с небольшой примесью начальных (затравочных) электронов. Коллектив имеет богатый опыт диагностики параметров газового потока, основанный на сопоставлении экспериментальных спектров с расчетными. Расчеты молекулярных спектров проводятся на основе разработанного научным коллективом вычислительного комплекса «СПЕКТР».
-
Основные результаты:
Итоги 2016-2018 гг. Разработана программа расчета параметров азота за фронтом ударной волны с учетом процессов колебательной и химической неравновесности. Построена математическая модель процесса рассеяния токсичных микропримесей в зоне действия автострады с учетом кинетики их фотохимического преобразования, а также биоаккумуляции в придорожной растительности. Сформулирована детальная кинетическая модель воспламенения и горения смеси паров керосина с воздухом за ударными волнами и проведены тестовые расчеты по валидации этой модели. Исследован процесс диссоциации N2+N=3N в условиях термической неравновесности в диапазоне температур 3000-20000 K методом квазиклассических траекторий. Получены двухтемпературные и уровневые константы скорости этого процесса. Исп. Впервые продемонстрирована прозрачность воздушной плазмы с концентрацией электронов 10^{12} – 10^{14{ см^{-3} за фронтом ударной волны для лазерного излучения на длине волны 1,55 мкм, что в принципе снимает проблему потери радиосвязи со спускаемым космическим аппаратом в атмосфере Земли.
- Добавил в систему: Шаталов Олег Петрович
Источник финансирования НИР
| госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию) |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. | Экспериментальное и теоретическое исследование кинетических процессов в газах. |
| Результаты этапа: Получены экспериментальные данные об абсолютных интенсивностях излучения воздуха, СО2 и смесей СО2 + N2 за фронтом сильных ударных волн. Рассчитаны конфигурация осесимметричного канала и параметров набегающего потока, обеспечивающие стабильное детонационное горение водородовоздушной смеси в условиях атмосферы на высотах до 30 км. Методом прямого численного моделирования получены данные о константах скорости реакций Зельдовича в воздухе и о времени колебательной релаксации при высоких температурах в столкновениях O2+O и N2+N. На примере атома аргона разработана численная кинетическая модель излучения атомов в условиях плазмы. Создана кинетическая модель радиационно-химического преобразования полихлорированных диоксинов,выполнены численные расчеты и сравнение полученных результатов с имеющимися экспериментальными данными. В Интернет-Каталог математических моделей физико-химических процессов в газах включены модели колебательного энергообмена, их верификация при сравнении с результатами траекторных расчетов, определены границ применимости различных моделей. | ||
| 2 | 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. | Экспериментальное и теоретическое исследование кинетических процессов в газах. |
| Результаты этапа: 1. Разработана программа расчета параметров азота за фронтом ударной волны с учетом процессов колебательной и химической неравновесности. 2. Построена математическая модель процесса рассеяния токсичных микропримесей в зоне действия автострады с учетом кинетики их фотохимического преобразования, а также биоаккумуляции в придорожной растительности. 3. Сформулирована детальная кинетическая модель воспламенения и горения смеси паров керосина с воздухом за ударными волнами и проведены тестовые расчеты по валидации этой модели. 4. Исследован процесс диссоциации N2+N=3N в условиях термической неравновесности в диапазоне температур 3000-20000 K методом квазиклассических траекторий. Получены двухтемпературные и уровневые константы скорости этого процесса. 5. Продемонстрирована прозрачность воздушной плазмы с концентрацией электронов 1012 – 1014 см-3 за фронтом ударной волны для лазерного излучения на длине волны 1,55 мкм, что в принципе снимает проблему потери радиосвязи со спускаемым космическим аппаратом в атмосфере Земли. | ||
| 3 | 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. | Экспериментальное и теоретическое исследование кинетических процессов в газах. |
| Результаты этапа: 1. Проведены исследования радиационных свойств ударно нагретого воздуха и кислорода в диапазоне скоростей 5-11.4 км/с Измерения выполнялись в области вакуумного ультрафиолета на двух длинах волн 124нм и 174нм (воздух) и в спектральном диапазоне 190-700нм (кислород). 2. Исследовано влияние озона на время задержки воспламенения стехиометрической водород-кислородной смеси. Показано, что присутствие озона уменьшает время задержки зажигания смеси на несколько порядков, однако экспериментально установлено, что одной из основных причин инициирования детонации является ускорение пламени, вызванное появлением турбулентности за слабой ударной волной. 3. Исследовано влияние добавок азота на протяженность самоподдерживающейся детонационной волны в гремучем газе. Показано, что при увеличении молярной доли азота толщина детонационной волны и протяженность зоны горения растут. 4. На основе анализа известных данных по горению авиационного керосина различными суррогатными смесями показано, что в качестве однокомпонентного суррогатного топлива, хорошо описывающего воспламенение авиационного керосина, можно использовать н-декан. Разработана упрощенная кинетическая модель горения н-декана в воздухе, позволяющая рассчитывать методами вычислительной гидродинамики процессы в сверхзвуковой прямоточной камере сгорания. 5. Исследована возможность инициирования детонационного горения паров керосина в сверхзвуковом потоке воздуха, набегающем на торцевую стенку цилиндра в неограниченном пространстве и канале постоянного сечения. Определена конфигурация соплового канала, обеспечивающего удельную тягу в несколько сотен секунд в условиях приземной атмосферы. 6. Проведены исследования обменных процессов между угарным газом и оксидами азота, приводящим к образованию СO2. В рамках теории переходного состояния были рассчитаны константы скоростей прямых и обратных реакций, проведено их сравнение с имеющимися в литературе экспериментальными данными. Рассчитанные константы аппроксимированы в виде Аррениуса в широком диапазоне температур 300-2500 K. 7. Проведены расчеты константы скорости диссоциации N2+N → 3N с использованием вычислительного комплекса MD Trajectory и интернет каталога теоретических моделей. Проведено сравнение результатов траекторных расчетов с теоретической моделью Мэрроуна-Тринора по уровневому фактору. Получено существенное отличие вплоть до 4 порядков при невысоких поступательных температурах для высоких колебательных уровней молекулы N2. Предложена модификация модели Мэрроуна-Тринора. Проведено сравнение результатов траекторных расчетов и теоретических моделей с имеющимися экспериментальными данными процесса диссоциации. 8. С использованием методов молекулярно-динамического моделирования и молекулярно- кинетических расчетов определены корректные граничные условия на межфазных поверхностях при моделировании процессов с фазовыми превращениями. Предложен упрощенный подход к описанию процесса испарения жидких капель с учетом кинетических особенностей вблизи межфазных поверхностей. | ||
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".