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:
7 1 января 2025 г.-31 декабря 2025 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".