Экспериментальное и теоретическое исследование кинетических процессов в газах.НИР

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 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.
4 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.
5 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
6 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Экспериментальное и теоретическое исследование кинетических процессов в газах.
Результаты этапа:
7 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. Экспериментальное и теоретическое исследование кинетических процессов в газах.
Результаты этапа:
8 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 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".