Тема: Коэффициенты скорости диссоциации и обменных реакций в воздухе

Для решения целого спектра современных научно-технических задач, таких как исследование течений в высокоэнтальпийных установках, процессов в активной среде молекулярных лазеров, очистка загрязненной атмосферы, необходимо изучение многокомпонентных смесей реагирующих газов в условиях далеких от равновесия. Отличительной особенностью моделирования таких течений является то, что система уравнений для макропараметров потока включает в себя уравнения релаксации наряду с уравнениями сохранения. Уравнения релаксации содержат коэффициенты скорости физико-химических процессов. Актуальность данной проблемы заключается в том, что коэффициенты скорости этих процессов необходимы для вычисления параметров потока с учетом колебательной и химической кинетики, а также для решения уравнений неравновесной аэродинамики.
Большое количество работ посвящено изучению взаимного влияния распределений молекул по скоростям и уровням внутренней энергии и химических реакций. Исследования И.Пригожина [13] были одними из первых в этом вопросе, за этими исследованиями вышли работы Р.Презента [12] и Дж. Людвига и М.Хейля [1]. В работе [2] было рассмотрено влияние неравновесных распределений на коэффициенты скорости диссоциации, а в работе[17] на скорости обменных реакций в воздухе.
Значительный прогресс, который был достигнут в последние годы в исследовании детальной поуровневой кинетики неравновесных процессов в потоках реагирующих газов, привел к появлению более точных моделей для скорости неравновесных реакций. Основываясь на заселенностях колебательных уровней, полученных из решения уравнений поуровневой кинетики, в работах [6,7,9] были найдены коэффициенты скорости реакции диссоциации. Они значительно отличаются как от равновесных коэффициентов скорости диссоциации, описываемых законом Аррениуса, так и от многотемпературных коэффициентов. В работе Е.В.Кустовой, Е.А.Нагнибеда и соавторов [8] был рассмотрен коэффициент скорости диссоциации в расширяющихся потоках газа с учетом колебательно¬химической кинетики. Сравнение результатов траекторных расчетов с моделью Тринора-Маррона для скоростей диссоциации обсуждается в [5].
Целью данной работы было нахождение коэффициентов скоростей диссоциации на основе неравновесных распределений и на основе моделей Парка, Аррениуса и модели [14] в широком спектре температур, а также последующий анализ и сравнение полученных результатов. Для этого в работе приводятся результаты вычислений распределения Больцмана (равновесного и неравновесного), распределения Тринора и составного распределения. Отдельно рассматриваются коэффициенты скорости диссоциации, вычисленные на основе этих распределений, с целью определения влияния на них выбора параметра неравновесности U. Также рассмотрены модели Парка и Аррениуса для того, чтобы определить влияние выбора различных моделей реакций на коэффициент скорости диссоциации.
В работе рассматривается пятикомпонентная воздушная смесь N2 / O2 / NO / N/O . Принимаются во внимание происходящие в смеси реакции диссоциации:
N2 + M^ N + N + M (1)
о2+м ^ о+о+м (2)
NO + M ^ N + о + M (3)
(M=N 2 ,O2, NO, N ,О—партнер по столкновению)
и обменные реакции:
N2+O ~ NO+N (5)
O2+N ^ NO+O (6)
Осредненный коэффициент скорости диссоциации (1-3) определяется следующим соотношением [1]:
. L
k М )__^ у nk М) (7)
Kdiss_ 2.^1 niKi,diss v 7
nmol i
M = N2 , O2 , NO
где к^ - поуровневые коэффициенты скорости диссоциации, ni - заселенности i - го уровня, -количество колебательных уровней молекулы, nmoi -общее число молекул в единице объема.
В данной работе рассматриваются коэффициенты скорости диссоциации к dM , вычисленные на основе неравновесного распределения Больцмана, распределения Тринора и составного распределения. Все вышеперечисленные распределения для заселенностей колебательных уровней зависят от колебательной энергии молекулы и от температуры газа.

Купить

В работе приведены результаты расчетов поуровневых факторов неравновесности и коэффициентов скорости диссоциации для молекул N2 , О2 , NO . При этом поуровневые коэффициенты скорости усреднялись по разным колебательным распределениям: триноровскому, больцмановскому и составному. Проведен анализ зависимости поуровневого коэффициента скорости диссоциации от выбора параметра U. Выполнены расчеты равновесного коэффициента скорости диссоциации при использовании различных данных для констант в формуле Аррениуса, рекомендованных в современной литературе. Рассмотрена интуитивная модель Парка для двухтемпературного коэффициента скорости диссоциации. Проведены расчеты двухтемпературного коэффициента скорости диссоциации, полученного на основе распределения Тринора с учетом новой модели [14], учитывающей зависимость параметра модели от колебательных уровней. Показано влияние уровневых и двухтемпературных моделей диссоциации и неравновесных распределений на осредненные коэффициенты скорости диссоциации.
Полученные результаты показали, что выбор параметров A и n в законе Аррениуса и параметра U в модели Тринора-Маррона оказывает значительное влияние на результаты вычислений коэффициентов скорости диссоциации. Наиболее значительное различие коэффициентов скорости диссоциации, найденных на основе разных распределений, в рассмотренных в работе условиях обнаружено при более низкой температуре газа, что соответствовало значительному колебательному возбуждению (Т<Е1). При увеличении температуры газа в рассмотренных примерах степень неравновесности уменьшалась и использование разных моделей приводило к более близким результатам. Выбор модели распределений зависит от степени неравновесности газа и конкретных условий задачи.

Купить