Исследования
- Радиационные свойства газов при гиперзвуковых скоростях ударных волн
- Измерение колебательной температуры молекул
- Исследование диссоциации кислорода при температурах до 11000 К
- Компьютерное моделирование процессов за фронтом ударной волны
- Радиационные характеристики горячих газов
- Исследования процессов горения и детонации
- Информационное обеспечение газовой динамики моделями и константами скоростей физико-химических процессов.
- Моделирование реакций методами молекулярной динамики
- Развитие кинетической теории газов
- Экология
- Численное моделирование детонационного горения
Радиационные свойства газов при гиперзвуковых скоростях ударных волн
На базе данных о радиационных характеристиках молекул разработан метод расчета сечений поглощения и излучения двухатомными молекулами при высоких температурах (программа «СПЕКТР»). Метод учитывает связанно-связанные и связанно-свободные переходы энергии в молекуле и колебательно-вращательное взаимодействие для каждого энергетического состояния [1]. Метод позволяет измерять колебательную температуру молекул по результатам абсорбционных и эмиссионных экспериментов в условиях, когда экспериментальные данные о сечениях
[1]. Н.Г.Быкова, Л.А.Кузнецова. Исследование абсорбционных характеристик молекулярного кислорода в системе Шумана-Рунге при высоких температурах. I. Расчеты спектров поглощения.// Оптика и спектроскопия. 2008. Т. 105. № 5 С. 732 -737.(Перевод: N. G. Bykova, L. A. Kuznetsova. Study of the absorption characteristics of molecular oxygen in the Schumann-Runge system at high temperatures: I. Calculations of absorption spectra.// Optics and Spectroscopy. 2008, V. 105, № 5, pp 668-673).
[2]. Н.Г.Быкова, И.Е.Забелинский, Л.Б.Ибрагимова, О.П.Шаталов. Исследование абсорбционных характеристик молекулярного кислорода в системе Шумана-Рунге при высоких температурах. II. Эксперимент, сравнение с расчетами. .// Оптика и спектроскопия. 2008. Т. 105. № 5 С. 738 -743. (Перевод: N. G. Bykova, I. E. Zabelinskii, L. B. Ibraguimova, and O. P. Shatalov. Study of the Absorption Characteristics of Molecular Oxygen in the Schumann–Runge System at High Temperatures: II. Experiment and Comparison with Calculation.// Optics and Spectroscopy. 2008, V. 105, № 5, pp 674-679).
V=3.16 км/с , P1=5Торр, T=4500К
Измерение колебательной температуры молекул
В эксперименте определены профили колебательной температуры молекул кислорода за фронтом ударной волны при температурах газа за скачком 4000 – 11000К. Показано, что колебательная температура не успевает возрастать выше 7000К вследствие начавшейся диссоциации [1]
[1]. И.Е. Забелинский, Л.Б. Ибрагимова, О.П. Шаталов Измерение колебательной температуры кислорода за фронтом ударной волны в условиях термической и химической неравновесности. // МЖГ. 2010. №. 3. С.159-167; Fluid Dynamics, 2010, Vol. 45, No. 3, pp. 485–492.
Исследование диссоциации кислорода при температурах до 11000 К
По результатам измерения колебательной температуры за фронтом ударной волны получены данные о временах колебательной релаксации и константы скорости диссоциации кислорода в термически неравновесных условиях (Тv ≠ T) при Т≤ 11000 К. [1]. Предложена новая модель термически неравновесной диссоциации, основанная на этих экспериментальных данных [2].
[1] Л.Б. Ибрагимова, А.Л. Сергиевская, О.П. Шаталов. Константа скорости диссоциации кислорода при температурах до 11000 К.// Изв. РАН. МЖГ. 2013, № 4, с.149-154; Fluid Dynamics, 2013, Vol.48, №4, p.550-555
[2] L.B. Ibraguimova, A.L. Sergievskaya, V.Yu Levashov, O.P. Shatalov, Yu V. Tunik, and I.E. Zabelinskii. Investigation of oxygen dissociation and vibrational relaxation at temperatures 4000–10 800 k. Journal of Chemical Physics, 139(3):034317–1–034317–10, 2013.
V= 4.44 км/с, T0=10820K (символы) и расчет.
Компьютерное моделирование процессов за фронтом ударной волны
На базе разработанной программы расчета процессов за фронтом ударной волны, проведено компьютерное моделирование диссоциации и рекомбинации кислорода, получены зависимости колебательной и поступательной температуры для различных моделей констант диссоциации и различных начальных давлений газа перед фронтом волны, скоростей фронта ударной волны и начальных температур газа.
[1] L. B. Ibraguimova, A. L. Sergievskaya, V. Yu. Levashov, O.P. Shatalov, Yu. V. Tunik, I.E. Zabelinckii Investigation of oxygen dissociation and vibrational relaxation at temperatures 4000–10 800K //The Journal of chemical physics. Vol. 139, 034317 (2013), DOI: 10.1063/1.4813070.
Радиационные характеристики горячих газов
В экспериментах на ударной трубе УТД измерены абсолютные интенсивности излучения газов, моделирующих атмосферы Земли и Марса в ультрафиолетовой и видимой областях спектра при скоростях ударных волн до10 км/с [1, 2]. Аналогичные исследования начаты на ударной трубе УТС в спектральной область вакуумного ультрафиолета. Результаты измерений являются базой для моделирования радиационных потоков на поверхность тел, входящих в атмосферы планет.
[1] Pavel V. Kozlov, Yuriy V. Romanenko, Oleg P. Shatalov // Radiation Intensity Measurement in Simulated Martian Atmospheres on the Double Diaphragm Shock Tube / Proceedings of the 4th International Workshop on Radiation of High Temperature Gases in Atmospheric Entry / 12-15 October, 2010 Lausanne. Swiss (ESA SP-689, November 2010, on CD).
[2] A.S. Dikalyuk, S.T. Surzhikov, O.P. Shatalov, P.V. Kozlov, and Yu V. Romanenko. // Nonequilibrium radiation behind the strong shock waves in marsian and titan atmospheres: Numerical rebuilding of experimental data/ 50th AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition, AIAA paper 2012-0795, 9-12 January2012, Nashville, Tennessee.
Исследования процессов горения и детонации
Проведены исследования процессов воспламенения, горения и детонации водород-кислородных и водородо-воздушных смесей в падающей в ударной волне. Исследовано ингибирование водород-кислородных смесей малыми добавками пропилена(1-3%) и паров изопропилового спирта. Показана доминирующая роль цепной лавины во всех режимах горения. На примере этого модельного процесса продемонстрировано эффективное химическое регулирование характеристик горения и детонации [1].
Проведены исследования по определению пределов и времен задержки воспламенения указанных смесей в широком диапазоне составов, температур (600-1000К) и давлений (0.1-11атм) [2]. Показано принципиальное отличие температурной зависимости воспламенения водородо-воздушных смесей по сравнению с водород-кислородными смесями. Найдены условия образования “устойчивой” детонации в водородо-воздушных смесях при лазерном возбуждении
[1] Азатян В.В., Павлов В.А., Шаталов О.П. Химическое управление горением и детонацией смесей водорода и кислорода, инициированных ударной волной. Кинетика и катализ. 2005. Т. 46. № 6. С. 835-846.
[2] Павлов В.А., Шаталов О.П. Измерение времени индукции воспламенения водородо-кислородных смесей за фронтом падающей ударной волны. Кинетика и Катализ, Том 52, №2, 2011, с.157
[3] Павлов В.А.,, Измерение пределов воспламенения водородо-воздушных и водород- кислородных смесей в падающей ударной волне в ударной трубе В журнале «Физико-химическая кинетика в газовой динамике», www.chemphys.edu.ru/pdf/2009-06-29-01.pdf, том 15, № 3, 2014.
V0=0.947 км/c, P0=0.09 атм T=1015K, P=0.938атм, s=0.05, f=2
Информационное обеспечение газовой динамики моделями и константами скоростей физико-химических процессов.
В лаборатории проводится систематизация моделей физико-химических процессов и баз кинетических коэффициентов, важных для описания газовых сред в термически равновесных и термически неравновесных условиях. Эти данные представлены, в справочных изданиях, в обзорах, в журнальных публикациях и информационно-аналитических системах. В работах [1, 2] систематизированы описания процессов в высокотемпературном газе и приводятся модели для их описания, в работе [3] собраны описания двухтемпературных моделей процессов, в работах [4, 5] проанализированы константы скорости реакций, описывающих процессы горения кислородно-водородных смесей с участием молекул в основном и возбужденном электронном состояниях.
[1] Физико-химические процессы в газовой динамике. Справочник. Том 1. Динамика физико-химических процессов в газе и плазме. Изд-во Научный мир. 2007. 400 с./ Physical and Chemical Processes in Gas Dynamics: Cross Sections and Rate Constants for Physical and Chemical Processes. Volume I, Ed. by G.G. Chernyi, S.A. Losev, S.O. Macheret, and B.V. Potapkin. Progress in Astronautics and Aeronautics. Vol.196, 2002.
[2] Физико-химические процессы в газовой динамике. Справочник. Том 2. Физико-химическая кинетика и термодинамика. Научн. изд. Центр механики Москва, 2002.368c. /Physical and Chemical Processes in Gas Dynamics: Physical and Chemical Kinetics and Thermodynamics (Mixed media product) Ed. G.G. Chernyi, S. A Losev, S.O. Macheret, Published by American Institute of Aeronautics Astronautics, United States, 2004
[3] Э.А. Ковач, С.А. Лосев, А.Л. Сергиевская, Н.А. Храпак. Каталог моделей физико-химических процессов. 3. Термически равновесные и неравновесные химические реакции. Физико-химическая кинетика в газовой динамике, 10:1–95, 2010
[4] Ибрагимова Л.Б., Смехов Г.Д., Шаталов О.П. Сравнительный анализ констант скоростей химических реакций, описывающих горение водородо-кислородных смесей// Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2009. Том 8. http://www.chemphys.edu.ru/
[5] Л.Б. Ибрагимова, О.П. Шаталов База данных по константам скорости реакций в системе Н–О с участием возбужденных атомов О(1D), O(1S) и молекул O2(b1Σ), O2(a1Δ), O2(A3Σ), OH(A2Σ)// Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2013. Том 15. http://www.chemphys.edu.ru/
Каталог моделей
Моделирование реакций методами молекулярной динамики
Создан вычислительный комплекс “MD Trajectory”, позволяющий моделировать динамику молекулярных реакций и рассчитывать сечения элементарных процессов в газе, используя методы молекулярной динамики и квантовой механики. Получены данные о скоростях реакций в окиси углерода, в кислороде [1], исследованы процессы гетерогенной рекомбинации атомов на различных типах теплозащитных покрытий [2]. Для моделирования физико-химических процессов в газах при высоких температурах используется также метод прямого численного моделирования (метод Монте-Карло). Работа ведется на высокопроизводительных многопроцессорных кластерах LEO (МГУ), МВС-1000 (ВЦ РАН), Ломоносов (МГУ)
[1] M.Ju Pogosbekian, A.L. Sergievskaia, and S.A. Losev. Verification of theoretical models of chemical exchange reactions on the basis of quasiclassical trajectory calculations. Chemical Physics, 328(1-3):371–378, 2006
[2] Kovalev V.L., Kroupnov A.A., Pogosbekian M.Ju, Sukhanov L.P. Simulation of Oxygen Atom Heterogeneous Recombination on the Al2O3 via AB Initio Approach // Journal of Computational and Theoretical Nanoscience, 2012, том 9, № 9, с. 1438-1443
[3] М.Ю. Погосбекян, А.Л. Сергиевская. Моделирование динамики молекулярных реакций и сравнительный анализ с теоретическими моделями применительно к термически неравновесным условиям. / Физико-химическая кинетика в газовой динамике, 15(3):1–7, 2014.
[4] S.A. Losev, M.Yu Pogosbekian, A.L. Sergievskaya, E.V. Kustova, and E.A. Nagnibeda. State-to-state reaction rate coefficients, distributions and gas dynamics behind strong shock waves. AIP Conference Proceedings, 762:1049–1054, 2005.
Развитие кинетической теории газов
На основе разработанного Е.Г. Колесниченко общего метода построения газодинамических уравнений с учетом физико-химических процессов [1] показано, что учет возмущений локально равновесных распределений молекул по внутренним степеням свободы приводит к существенному нарушению закона действующих масс, лежащего в настоящее время в основе физико-химической газодинамики химически реагирующих газовых смесей [2].
[1] Е.Г.Колесниченко. Кинетические уравнения теории химически реагирующих газов. М.: Издательство МГУ. 1983. 147 с.
[2] E. Kolesnichenko and Yu Gorbachev. Chemical reactions in non-equilibrium gas mixtures and mass action law breakdown. Shock Waves, 23:635–648, 2013
Экология
Построена математическая модель радиационно-химических процессов при электронно-лучевой очистке промышленных газов от вредных примесей (оксиды азота и серы, полициклические ароматические углеводороды, диоксины и т.д.). Проводятся исследования по влиянию эмиссии вредных примесей от линейных (автострада) и площадных (мегаполис) источников на окружающую среду. Проведено теоретическое исследование радиационной устойчивости углеродных наноструктур. Проведено теоретическое исследование воспламенения водородно-кислородных топлив за фронтом падающей ударной волны в ударной трубе при низких температурах.
[1] Gerasimov G. Modeling study of electron-beam polycyclic and nitro-polycyclic aromatic hydrocarbons treatment// Radiat. Phys. Chem. 2007. Vol. 76, No. 1, pp. 27-36
[2]Герасимов Г. Я. Гидрогенизация графена в атмосфере водорода под действием электронного пучка// Инженерно-физический журнал. 2013. Т. 86, № 3. с. 620-625
Численное моделирование детонационного горения
Численное моделирование процессов детонационного горения топливно-воздушных смесей (ТВС) в сверхзвуковых потоках с использованием различных баз данных по кинетике химических процессов. Эксперименты по инициированию детонационного горения (ТВС) в сверхзвуковых потоках.
[1] Yu V. Tunik. Detonation combustion of hydrogenin a convergent-divergent nozzle with a central coaxial cylinder. Fluid Dynamics, 49(5):688–693, 2014.
[2]M.A. Zubin and Yu V. Tunik. Starting of an axisymmetric convergent-divergent nozzle in a hypersonic flow. Fluid Dynamics, 49(4):557–561, 2014.
[3] Ю.В. Туник. Детонационное горение водорода в сопле Лаваля с центральным коаксиальным цилиндром. Известия Российской академии наук. Механика жидкости и газа, (5):142–148, 2014.
