ГИБРИДНАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ ОПИСАНИЯ КОЛЕБАТЕЛЬНО-ХИМИЧЕСКОЙ РЕЛАКСАЦИИ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА
Санкт-Петербургский государственный университет
Моделирование сильнонеравновесных течений смесей с содержанием углекислого газа востребовано при описании входа аппаратов в атмосферы Марса и Венеры и в низкотемпературных течениях (сопла, газодинамические лазеры). Основная трудность – корректный учёт колебательного возбуждения CO₂ из-за сложной структуры молекулы и учёт связи колебательного возбуждения с химическими реакциями. В работе развит гибридный многотемпературный (ГМТ) подход [1, 2], сочетающий поуровневое и многотемпературное описания за счёт осреднения поуровневых коэффициентов скорости физико-химических процессов. Колебательная кинетика CO₂ описывается тремя независимыми колебательными температурами; уравнения формулируются относительно средних чисел колебательных квантов, что допускает использование различных квазистационарных распределений.
Поуровневые коэффициенты скорости колебательных энергообменов вычисляются по модели нагруженного гармонического осциллятора (FHO) [3], обобщённой на многоатомные газы. Оптимальные параметры для исследуемых процессов определены с помощью машинного обучения в диапазоне от 300 до 5000 К. Модель валидирована по экспериментальным временам релаксации в чистом CO₂ и смеси CO₂/Ar, а также на основе сравнения с экспериментами в ударных трубах [4].
По результатам моделирования удалось продемонстрировать, что ГМТ модель хорошо описывает межмодовую неравновесность, которую нельзя описать с использованием распространенной в CFD двухтемпературной модели. Анализ адиабатической релаксации выявил немонотонное поведение колебательных температур в условиях, характерных для расширения в соплах и плазмы; роль межмолекулярных обменов существенна в смесях с сопоставимыми долями CO₂, CO и O₂. Оценено влияние ангармоничности – при сильных отклонениях от равновесия эффекты ангармоничности могут значительно влиять на химические реакции, в то время как для колебательных энергообменов за ударными волнами эффект ангармоничности мал (не превышает 2%).
Работа выполнена при поддержке СПбГУ (грант № 148177671).
1. Kosareva A., Kunova O., Kustova E., Nagnibeda E. Hybrid approach to accurate modeling of coupled vibrational-chemical kinetics in carbon dioxide // Physics of Fluids. 2022. Vol. 34. №. 2.
2. Kravchenko D., Kunova O., Kustova E. Non-equilibrium CO2 kinetics: Assessment of advanced multi-temperature models of vibrational–chemical relaxation // Physics of Fluids. 2026. Vol. 38. №. 3.
3. Adamovich I., Macheret S., Rich J., Treanor C. Vibrational energy transfer rates using a forced harmonic oscillator model // J. Thermophys. Heat Transfer. 1998. Vol. 12. Pp. 57–65.
4. Jelloian C. C., Minesi N. Q., Spearrin R. M. High-speed mid-infrared laser absorption spectroscopy of CO 2 for shock-induced thermal non-equilibrium studies of planetary entry: CC Jelloian et al // Applied Physics B. 2022. Vol. 128. №. 12. Pp. 216.
