Сравнительное моделирование процесса диссоциации молекул N2 в термически неравновесных условиях

Авторы

Погосбекян М. Ю.^*, Сергиевская А. Л.^**, Крупнов А. А.^***

НИИ механики МГУ имени М. В. Ломоносова, Мичуринский проспект, 1, Москва, 119192, Россия

*e-mail: pogosbekian@imec.msu.ru
**e-mail: sergievska@imec.msu.ru
***e-mail: kroupnov@imec.msu.ru

Аннотация

При сильных ударных волнах в разреженных газах в условиях термической неравновесности происходят химические процессы, такие как реакции диссоциации и обмена, в условиях незавершенной колебательной релаксации. В связи с этим коэффициенты скорости этих процессов являются функциями как поступательно-вращательной, так и колебательной температур. В этой работе объектом исследований являются физико-математические модели химической реакции диссоциации молекул в термически неравновесных условиях. Целью работы является сравнительное исследование моделей физико-химических процессов на примере диссоциации молекул азота. Для сравнения были выбраны хорошо известные и часто применяемые теоретические модели диссоциации, представляющие процесс в однотемпературном, двухтемпературном и уровневом приближениях. В работе представлено детальное описание теоретических моделей, позволяющих рассчитать целевые функции моделей диссоциации молекул N₂ в термически неравновесных условиях как в двухтемпературном, так и в уровневом приближениях.

Для проведения обоснованного и достоверного сравнения кроме теоретических моделей привлечены результаты динамики столкновений N₂-N, полученные методом квазиклассических траекторий, а также данные физического эксперимента на ударной трубе.

Для моделирования молекулярной динамики использовался вычислительный комплекс «MD Trajectory». Вычислительные эксперименты с теоретическими моделями проводились в среде Интернет-Каталога моделей физико-химических процессов.

На основе проведенного сравнения было предложено новое, функциональное, зависящее от поступательной температуры, выражение для эмпирического параметра уровневой модели Мэрроуна-Тринора. Использование модифицированной модели позволяет хорошо описать результаты траекторных расчетов на широком диапазоне поступательных температур от 2000 до 10000K.

Ключевые слова

уровни описания, диссоциация, модели процессов, константа скорости, фактор неравновесности, уровневый фактор, метод классических траекторий, эксперимент

Библиографический список

1. Kustova E., Nagnibeda E., Oblapenko G., Savelev A., Sharafutdinov I. Advanced models for vibrational–chemical coupling in multi-temperature flows // Chemical Physics, 2016, vol. 464, pp. 1 – 13.

2. Гидаспов В.Ю., Москаленко О.А. Численное моделирование инициирования детонации в керосино-воздушной газокапельной смеси падающей ударной волной // Труды МАИ. 2016. № 90. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=74647

3. Никитченко Ю.А. Модели первого приближения для неравновесных течений многоатомных газов // Труды МАИ. 2014. № 77. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=52938

4. Gidaspov V.Yu., Severina N.S. Numerical simulation of the detonation of a propane-air mixture, taking irreversible chemical reactions into account // High Temperature, 2017, vol. 55, no. 5, pp. 777 – 781.

5. Черный Г.Г., Лосев С.А. Физико-химические процессы в газовой динамике. Справочник. Динамика физико-химических процессов в газе и плазме. – М.: Научный мир, 2007. Т. 1. – 400 с.

6. Ковач Э.А., Лосев С.А., Сергиевская А.Л. Модели двухтемпературной химической кинетики для описания диссоциации молекул в сильных ударных волнах // Химическая физика. 1995. Т. 14. № 9. С. 44 – 76.

7. Савельев А.С., Кустова Е.В. Пределы применимости модели Тринора-Маррона для поуровневых коэффициентов скорости диссоциации N2 и O2 // Вестник Санкт-Петербургского университета. Математика. Механика. Астрономия. 2015. Т. 2. № 2. С. 266 – 277.

8. Kunova O., Kustova E., Savelev A. Generalized Treanor–Marrone model for state-specific dissociation rate coefficients // Chemical Physics Letters, 2016, vol. 659, pp. 80 – 87.

9. Esposito F., Armenise I., Capitelli M. N-N₂ state to state vibrational-relaxation and dissociation rates based on quasiclassical calculations // Chemical Physics, 2006, vol. 331, pp. 1 – 8.

10. Boyd I., Kim J.G. State-resolved master equation analysis of thermochemical nonequilibrium of nitrogen // Chemical Physics, 2013, vol. 415, pp. 237 – 246.

11. Scanlon T.J., White C., Borg M.K., Palharini R.C., Farbar E., Boyd I.D., Reese J.M., Brown R.E. Open-source direct simulation monte carlo chemistry modeling for hypersonic flows // AIAA Journal, 2015, vol. 53 (6), pp. 1670 – 1680, http://dx.doi.org/10.2514/1.J053370

12. Лосев С.А., Сергиевская А.Л., Спичков А.В. Информационное обеспечение моделирования физико-химических процессов в газах с использованием интернет-технологий // Математическое моделирование. 2007. Т. 19. № 12. С. 13 – 24.

13. Ковач Э.А., Лосев С.А., Сергиевская А.Л., Храпак Н.А. Каталог моделей физико-химических процессов. Термически равновесные и неравновесные химические реакции // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2010. Т. 10. C. 1 – 95. URL: https://istina.msu.ru/publications/article/1963642/

14. Смехов Г.Д., Яловик М.С. Диссоциация молекул азота в колебательно неравновесном газе // Химическая физика. 1996. Т. 15. № 4. С. 17 – 35.

15. Воронин А.И., Ошеров В.И. Динамика молекулярных реакций. – М: Наука, 1990. – 420 c.

16. Billing Gert D. Dynamics of molecule surface interactions, John Wiley & Sons, Inc. 2000, 235 p.

17. Погосбекян М.Ю., Лосев С.А. Исследование реакции CO+N ^® CN+O методом квазиклассических траекторий с использованием вычислительного комплекса «MD Trajectory» // Химическая физика. 2003. Т. 22. № 6. С. 38 – 46.

18. Pogosbekian M.J., Sergievskaia A.L., Losev S.A. Verification of theoretical models of chemical exchange reactions on the basis of quasiclassical trajectory calculations // Chemical Physics, 2006, vol. 328, no. 1 – 3, pp. 371 – 378.

19. Погосбекян М.Ю., Сергиевская А.Л. Моделирование динамики молекулярных реакций и сравнительный анализ с теоретическими моделями применительно к термически неравновесным условиям // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2014. Т. 15. № 3. С. 1 – 7.

20. Lagana A., Garcia E. Temperature Dependence of N + N2 Rate Coefficients // Journal of Physical Chemistry A, 1994, vol. 98, pp. 502 – 507.

21. Воеводин В.В., Жуматий С.А., Соболев С.И., Антонов А.С., Брызгалов П.А., Никитенко Д.А., Стефанов К.С., Воеводин В.В. Практика суперкомпьютера «Ломоносов» // Открытые системы. 2012. № 7. C. 36 – 39.

22. Кривоносова О. Э., Лосев С. А., Наливайко В. П. и др. Рекомендуемые данные о константах скорости химических реакций между молекулами, состоящими из атомов N и O. – М.: Энергоатомиздат, 1987. Т. 14. С. 3 – 31.

Скачать статью