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:
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:

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".