ВЛИЯНИЕ МОДЕЛИ СВЯЗАННОЙ КОЛЕБАТЕЛЬНО-ХИМИЧЕСКОЙ РЕЛАКСАЦИИ НА ПАРАМЕТРЫ ТЕЧЕНИЯ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА В СОПЛЕ
Автор: Денис Сергеевич Кравченко
Соавторы: Кустова Елена Владимировна
Организация: Санк-Петербургский государственный университет, ФИЦ ИУ РАН
Моделирование неравновесных процессов в смесях многоатомных газов – актуальная задача, востребованная в науке и промышленности. Основная сложность при моделировании течений газов в условиях, далёких от равновесия, это корректный учёт внутренних степеней свободы и протекающих в газе физико-химических процессов, что особенно важно при исследовании многоатомных молекул. В данной работе для моделирования течения углекислого газа в рамках многотемпературного приближения применяется континуальный подход [1], основанный на методе Чепмена–Энскога.
Отличительной особенностью колебательной кинетики молекулы CO2 является существование нескольких механизмов колебательной релаксации (разные моды колебаний), в связи с этим число возможных колебательных состояний составляет тысячи, поэтому используется многотемпературная модель [2].
Основная сложность состоит в оценке релаксационных членов, отвечающих за изменение колебательной энергии мод вследствие внутри- и межмодовых обменов и химических реакций. Обычно используют упрощённую формулу Ландау-Теллера с временами релаксации, полученными на основе аппроксимации экспериментальных данных. Однако в связи с отсутствием надёжных экспериментальных данных для многих процессов применение данного подхода ограничено. Существует аналитические модели, например модель нагруженного гармонического осциллятора (FHO) [3], позволяющие вычислить вероятность переходов в поуровневых колебательных энергообменах. В работе [4] был предложен подход, обобщающий модель FHO на случай CO2 и позволяющий вычислять релаксационные члены через поуровневые коэффициенты скоростей реакций. Однако такой подход требует тщательного исследования и валидации.
Целью настоящей работы является исследование модельной задачи о квазиодномерном неравновесном течении в сопле пятикомпонентной смеси CO2/CO/O2/O/C с учётом колебательно-химической релаксации. Рассмотрены различные модели колебательной релаксации и ее связи с химическими реакциями. Изучено влияние формы сопла на макропараметры течения и скорость неравновесных процессов.
Работа выполнена при финансовой поддержке СПбГУ (грант № 128784026).
1. Нагнибеда Е. А., Кустова Е. В. Кинетическая теория процессов переноса и релаксации в потоках неравновесных реагирующих газов. СПб: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2003. 272 с.
2. E. Kustova, E. Nagnibeda. On a correct description of a multi-temperature dissociating CO2 flow. Chem. Phys. 2006. Vol. 321. Pp. 293-310.
3. I. Adamovich, S. Macheret, J. Rich, C. Treanor, Vibrational energy transfer rates using a forced harmonic oscillator model, J. Thermophys. Heat Transfer. 1998. Vol. 12. Pp. 57-65.
4. Kustova E., Mekhonoshina M. Novel approach for evaluation of CO2 vibrational relaxation times // Chemical Physics Letters. 2021. Vol. 764. No. 138288.
