Неравновесные физико-химические процессы в радиационной и магнитной газовой динамике

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-11-00062

НазваниеНеравновесные физико-химические процессы в радиационной и магнитной газовой динамике

Руководитель Суржиков Сергей Тимофеевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук , г Москва

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах; 01-310 - Газовая динамика

Ключевые слова Радиационная и магнитная газовая динамика, ударные волны, газовые разряды, низкотемпературная плазма, физико-химическая кинетика, аэротермодинамика

Код ГРНТИ30.03.17

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на расчетно-теоретическое и экспериментальное исследование процессов физико-химической и радиационной кинетики в высокоскоростных частично ионизованных газовых потоках. (Здесь и далее для краткости будем использовать термин химическая кинетика для обозначения совокупности химических превращений в газовых потоках, а термин физическая кинетика – для обозначения задач возбуждения внутренних степеней свободы, ионизации и испускания излучения. В отдельных случаях к классу задач физической кинетики будем относить задачи определения функций распределения электронов, атомов и молекул по скоростям). Составными элементами решаемых задач является газовая динамики, физическая и химическая кинетика неравновесных газовых потоков, перенос селективного теплового излучения, электродинамика частично ионизованных газовых потоков во внешних магнитных полях. Комплекс решаемых проблем в совокупности представляет собой многоуровневую и междисциплинарную проблему. Развиваемая в работе теория основана на экспериментальных данных по спектральному излучению сильных ударных волн, движущихся со скоростями до 15 км/с и на экспериментах по аномальной ионизации нейтральных газов, сквозь которые движется частично ионизованный газ в присутствии внешнего магнитного поля. Планируется решение следующих задач: 1. Развитие и использование квазистационарных и нестационарных электронно-радиационно-столкновительных моделей (далее: eRC-моделей) для детального описания экспериментальных данных по спектральному излучению сильных ударных волн в воздухе при скоростях до V=15 км/с. Отличительной особенностью eRC-моделей является корректное описание электронной кинетики посредством нестационарного уравнения сохранения энергии электронного газа, и при необходимости, решение кинетического уравнения для определения функции распределения электронов по энергии. В качестве базовых выбраны ударно-волновые экспериментальные данные по неравновесному излучению воздуха за фронтом сильных ударных волн в спектральном диапазоне [0.15-10] мкм и по временной зависимости излучательной способности отдельных электронно-колебательных полос двухатомных молекул (N2, NO, N2+, O2) в видимой и ультрафиолетовой областях спектра. Особое внимание уделяется испусканию излучения в электронных полосах молекулы NO в электронных состояниях (A2Sigma-X2P, B2Pi-X2Pi, C2Pi-X2Pi ), поскольку указанные электронные состояния несут важную информацию о скорости диссоциации молекул N2 и O2 c последующим образованием возбужденных молекул NO и о кинетике заселения электронно-возбужденных состояний. Учитывая важность процессов электронной кинетики для высоких скоростей ударных волн аналогичные исследования предполагается провести для совокупности атомных линий азота и кислорода. Важным элементом исследования является сопоставление расчетных данных полученных с использованием квазистационарых (Quasi Steady-State - QSS) и нестационарных кинетических моделей заселения возбужденных электронных состояний. 2. Включение разработанных квазистационарных и нестационарных eRC моделей в пространственные компьютерные коды радиационной газовой динамики. Для тестирования разработанных моделей будут использованы экспериментальные данные. 3. Создание компьютерной молекулярно-динамической модели релаксации внутренних степеней свободы и динамики ансамбля молекулярных компонент (статистический ансамбля) с учетом квантовых уровней колебательных степеней свободы молекул N2 (в электронном состоянии X2Pi) и O2 (X3Sigma) при скачкообразном изменении параметров на контактном разрыве. Предполагается получить также результаты молекулярно-динамического моделирования заселения электронно-возбужденных состояний N2(B2Pi) и N2(D3Sigma). 4. Развитие расчетной феноменологической модели разряда Пеннинга с целью моделирования явления аномальной ионизации (критической скорости ионизации). Будет изучен Пеннинговский разряд в цилиндрическом объеме с аксиальным магнитным полем, обеспечивающим вращение газоразрядной плазмы вокруг оси симметрии. Предварительный теоретический анализ показывает, что проявления эффекта критической скорости ионизации следует искать в диапазоне давлений р=0.01 – 1 мТорр, при падении напряжения на электродах 1-3 кВ и индукции продольного (осевого) магнитного поля 0.01-0.1 Т. Для расчета сечений ионизации электронным ударом предполагается решение кинетического уравнения сохранения энергии электронного газа. Исследуемый газ: молекулярный азот. 5. Компьютерное моделирование явления критической скорости ионизации при гиперзвуковом обтекании острой и затупленной пластины (в этом случае представляет интерес влияние энтропийного слоя, обусловленного обтеканием затупления пластины), на поверхности которой расположены плоские электроды, генерирующие тлеющий разряд в поперечном к потоку нейтрального газа и электрическому току магнитном поле при давлении 0.1-1 Tорр и индукции поперечного магнитного поля B=0.1–1 T. Характерные размеры электроразрядных промежутков: 1-10 см. Изучается обтекание пластины гиперзвуковым потоком воздуха (со скоростями, отвечающими числам Маха ~ 10-20). Выбор предельно простой геометрии обусловлен изучением перспектив постановки физического эксперимента с использованием классических методов экспериментальной физической механики. Актуальность планируемых работ определяется: • необходимостью создания расчетно-теоретических моделей неравновесной радиационной газовой динамики очень сильных ударных волн, распространяющихся со скоростями до 15 км/с с целью интерпретации новых экспериментальных данных по изучению фундаментальных закономерностей протекания процессов взаимодействия атомных и молекулярных компонент, находящихся в неравновесных (небольцмановских) состояниях при экстремально высоких энергиях взаимодействия и значительной роли электронной кинетики, • назревшей потребностью и появившимися возможностями суперкомпьютерных технологий в ab-initio (от первых принципов) моделировании констант скоростей релаксационных процессов возбуждения колебательных и электронных состояний молекул с использованием молекулярно-динамического моделирования с учетом квантовых состояний внутренних степеней свободы, • необходимостью создания пространственных моделей радиационной газовой динамики на базе полной системы уравнений Навье—Стокса и современных электронно-радиационно столкновительных моделей, применимых вплоть до скоростей ~ 15 км/с, • необходимостью изучения закономерностей протекания аномальной ионизации в лабораторных экспериментах по взаимодействию нейтральных и частично ионизованных газовых потоков при высоких скоростях во внешнем магнитном поле, • необходимостью создания высокоэффективных феноменологических моделей электромагнитных актюаторов управления гиперзвуковыми газовыми потоками при давлениях р~0.1–1 Торр. Научная новизна проекта: • Создание электронно-радиационно-столкновительных (eRC) моделей излучения сильных ударных волн, движущихся со скоростями до 15 км/с и описание с их использованием новых экспериментальных данных по неравновесному излучению релаксационной зоны ударных волн в широком спектральном диапазоне теплового излучения ( [0.15-10] мкм), • Создание пространственной компьютерной модели радиационной газовой динамики на основе полных уравнений Навье-Стокса и eRC-моделей и проведение с ее использованием исследования аэрофизики сверхорбитальных космических тел искусственного и естественного происхождения, • Создание расчетно-теоретической компьютерной молекулярно-динамической модели релаксации внутренних степеней свободы и динамики ансамбля молекулярных компонент с учетом квантовых уровней колебательных степеней свободы молекул и электронно-возбужденных состояний двухатомных молекул на базе квазиклассического подхода феноменологической физической механики. Получение с использованием созданной модели расчетных данных по константам скоростей релаксационных процессов, • Постановка и реализация численных экспериментов по изучению закономерностей протекания аномальной ионизации в лабораторных экспериментах по взаимодействию нейтральных и частично ионизованных газовых потоков при высоких скоростях во внешнем магнитном поле в классических аэродинамических конфигурациях обтекания пластины гиперзвуковым потоком воздуха и в камерах Пеннинговского разряда.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Рулева Л. Б., Солодовников С. И. Экспериментальные исследования формирования ударной волны в бездиафрагменной ударной трубе Физико-химическая кинетика в газовой динамике, Т. 23, вып. 3., стр. 34-43 (год публикации - 2022)
10.33257/PhChGD.23.3.997

2. Рулева Л. Б., Солодовников С. И. Измерение тепловых потоков в аэродинамической ударной трубе с помощью калориметрических датчиков Физико-химическая кинетика в газовой динамике, Т. 23, вып. 3.,стр. 21-33 (год публикации - 2022)
10.33257/PhChGD.23.3.998

3. Суржиков С. Т. Численное моделирование осесимметричного аномального тлеющего разряда между двумя плоскими дискообразными электродами Физико-химическая кинетика в газовой динамике, Том 23, выпуск 4, стр. 1-30 (год публикации - 2022)
10.33257/PhChGD.23.4.1012

4. Суржиков С. Т. Application of Quasistationary eRC-Models for Calculating Nonequilibrium Radiation of Shock Waves at Velocities of Approximately 10 km/s Fluid Dynamics, Vol. 57, Suppl. 2, pp. S594–S621 (год публикации - 2022)
10.1134/S0015462822100743

5. Суржиков С. Т. Расчетное исследование параметров аномального тлеющего разряда на поверхности обтекаемой газом пластины Физико-химическая кинетика в газовой динамике, Т.23, вып. 3, стр.71-131 (год публикации - 2022)
10.33257/PhChGD.23.3.1006

6. Суржиков С.Т., Яцухно Д.С. Analysis of the Flight Data on Convective and Radiative Heating of the Surface of Martian Schiaparelli Descent Space Vehicle Fluid Dynamics, Vol. 57, No. 6, pp. 768-779 (год публикации - 2022)
10.1134/S0015462822600924

7. Суржиков С.Т. Сравнительный анализ параметров нормального и аномального тлеющих разрядов постоянного тока Физика плазмы, Том 48, №11, с. 1102-1114 (год публикации - 2022)
10.31857/S0367292122601072

8. Суржиков С.Т. О возможности использования разряда Пеннинга для изучения явления критической скорости ионизации Физико-химическая кинетика в газовой динамике, Т. 23, вып. 5 (год публикации - 2022)
10.33257/PhChGD.23.5.1021

9. Яцухно Д.С. Обзор экспериментальных методов исследования явления критической скорости ионизации Физико-химическая кинетика в газовой динамике, Т.23, вып. 5 (год публикации - 2022)
10.33257/PhChGD.23.5.947

10. Ишин Д.В. Использование электромагнитных актюаторов в аэродинамике Физико-химическая кинетика в газовой динамике, Том 24, выпуск 6 (год публикации - 2023)
10.33257/PhChGD.24.6.1077

11. Суржиков С.Т. Модель усредненной по вращательной структуре неравновесной излучательной способности двухатомных молекул Физико-химическая кинетика в газовой динамике, Том 24, выпуск 6 (год публикации - 2023)
10.33257/PhChGD.24.6.1078

12. Суржиков С.Т. Диффузионно-дрейфовое моделирование электродинамики разряда Пеннинга в молекулярном водороде Fluid Dynamics, №8 (год публикации - 2023)

13. Суржиков С.Т. Диффузионно-дрейфовая модель поверхностного тлеющего разряда в сверхзвуковом потоке газа Fluid Dynamics, №1 (год публикации - 2024)

14. Суржиков С.Т. Non-Equilibrium Supersonic Flow Past a Blunt Plate at High Angle of Attack Fluid Dynamics, Vol. 58, No. 1, pp. 113–127 (год публикации - 2023)
10.1134/S0015462822700033

15. Суржиков С.Т. Supersonic Flow past a Sharp Plate with Surface Anomalous Glow Discharge in a Magnetic Field Fluid Dynamics, Vol. 58, No. 6, pp. 1109–1132 (год публикации - 2023)
10.1134/S0015462823601985

16. Яцухно Д.С. Обзор численных и экспериментальных работ по изучению явления аномальной ионизации Fluid Dynamics, № 8 (год публикации - 2023)

17. Рулева Л.Б. Экспериментальные исследования газоразрядной плазмы в потоке Физико-химическая кинетика в газовой динамике, Том 24, выпуск 6 (год публикации - 2023)
10.33257/PhChGD.24.6.1079

18. Суржиков С.Т. Квазистационарная алгебраическая eRC-модель для предсказания излучательной способности электронно-колебательных полос двухатомных молекул Физико-химическая кинетика в газовой динамике, Том 25, выпуск 6 (год публикации - 2024)
10.33257/PhChGD.25.6.1153

19. Суржиков С.Т. Dynamics of Ion and Electron Flows in the Penning Discharge Chamber Fluid Dynamics, Vol. 59, No. 3, pp. 573–593 (год публикации - 2024)
10.1134/S0015462824602286

20. Суржиков С.Т. Electrodynamics of a Low-Power Anomalous Glow Discharge in a Plane Channel with High-Speed Gas Flow Fluid Dynamics (год публикации - 2024)
10.1134/S0015462824604509

21. Суржиков С.Т. Anomalous Glow Discharge between Two Electrodes on the Same Surface in a Transverse Magnetic Field Fluid Dynamics (год публикации - 2024)
10.1134/S0015462824604054

22. Суржиков С.Т. Supersonic Gas Flow in a Plane Channel with a Normal Glow Discharge in the Magnetic Field Fluid Dynamics (год публикации - 2024)
10.1134/S0015462824603991

23. Суржиков С.Т. Numerical Models of Electron Kinetics in the Problem of Transverse Flow around a Cylindrical Model by a Supersonic Gas Flow Fluid Dynamics, Vol. 57, Suppl. 2, pp. S235–S270 (год публикации - 2022)
0.1134/S0015462822100615

24. Суржиков С.Т. Расчетное исследование некоторых алгоритмов классической молекулярной динамики Физико-химическая кинетика в газовой динамике, Том 25, выпуск 5 (год публикации - 2024)
10.33257/PhChGD.25.5.1152

25. Суржиков С.Т. Numerical Simulation of Air Ionization in the Ram-C-II Flight Experiment Fluid Dynamics, Vol. 57, Suppl. 2, pp. S279–S298 (год публикации - 2022)
10.1134/S0015462822100639

26. Суржиков С.Т. Численная интерпретация экспериментальных данных по спектральному излучению ударных волн в воздухе при скоростях 7 ÷ 8 км/с посредством eRC-модели Физико-химическая кинетика в газовой динамике, Том 25, выпуск 7 (год публикации - 2024)
10.33257/PhChGD.25.7.1154

27. Рулева Л.Б., Солодовников С.И. Нормальный тлеющий разряд в потоке X Поляховские чтения, Материалы международной научной конференции по механике, 23-27 сентября 2024г. (год публикации - 2024)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В отчетном году выполнены работы и получены научные результаты по следующим научным направлениям, составляющим содержание проекта: 1.5.1. Развитие и использование eRC-моделей с целью изучения неравновесных излучательных процессов релаксационной (неравновесной) зоны за фронтом сильных ударных волн. Выполнены расчеты спектральной излучательной способности релаксационной зоны за фронтом ударных волн в воздухе для условий экспериментов в диапазоне скоростей 7-10 км/с. Получено удовлетворительное согласие расчетных и экспериментальных данных. Получены расчетные данные и выполнен их анализ по распределению интенсивности излучения отдельных узких спектральных полос (на длинах волн 345±25 нм, 213±2 нм, 391±2 нм и 420±2 нм) по времени прохождения релаксационной зоны мимо регистрирующей аппаратуры. Разработана упрощенная алгебраическая квазистационарная модель электронной кинетики двухатомных молекул. Показано, что в определенных условиях эта модель успешно заменяет полную систему кинетических уравнений. 1.5.2. Молекулярно-динамическое моделирование. Решена задача о распаде произвольного разрыва в молекулярно-динамической ячейке с целью изучения динамики распространения возмущения и термализации статистического ансамбля в релаксационном процессе. Исследован процесс накопления погрешностей расчета кинетической энергии статистического ансамбля. Установлена тенденция увеличения необходимого числа столкновений для термализации ансамбля частиц ансамбля при увеличении перепада температур в начальных данных задачи о распаде разрыва. В результате численного молекулярно-динамического моделирования микроканонического ансамбля частиц от произвольных исходных распределений скоростей частиц по скоростям до установившегося максвелловского распределения для температурного диапазона 10**2-10**4 К при давлениях порядка 0.01-2 атм установлены характерные времена релаксационного процесса порядка 10**(-9) с, что соответствует нескольким столкновениям частиц. Выполнено сравнение четырех алгоритмов численного интегрирования уравнений движения частиц в силовом поле, определяемым межчастичным потенциалом взаимодействия Ленарда-Джонса. 1.5.3. Расчетное исследование Пеннинговского разряда. С использованием диффузионно-дрейфовой модели выполнено систематическое численное исследование двухмерной электродинамической структуры разряда Пеннинга в цилиндрической разрядной камере с характерным размером 1 см при давлении молекулярного водорода 1 мТорр. Напряжение между электродами изменялось в диапазоне 500-1000 В, а индукция осевого магнитного поля в диапазоне 0.001-0.2 Тл. В расчетах получены несколько режимов существования разряда Пеннинга: режимы слабого и сильного магнитного поля, а также переходные режимы и режимы погасания в слабом и сильном магнитном поле. Найдены условия существования разряда Пеннинга, при которых в приосевых областях возникает осцилляционное движение электронных и ионных потоков, которое можно ассоциировать с плазменной турбулентностью. 1.5.4. Получение расчетных данных по электродинамической структуре поверхностного аномального тлеющего разряда при давлениях в газе порядка р=0.1-1 Торр. Применение диффузионно-дрейфовой модели к расчету аномального тлеющего разряда на поверхности острой пластины, обтекаемой сверхзвуковым потоком газа в диапазоне давлений 0.6-5 Торр показал на возможность использования этой модели для получения параметров разряда подобных тем, которые измеряются в физическом эксперименте. В результате численного моделирования аномального тлеющего разряда в пограничном слое при давлении набегающего потока 0.6-5 Торр и напряжения на электродах, расположенных поперек газовому потоку порядка 1 кВ, получены распределения концентраций электронов и ионов, напряженности электрического поля, скоростей ионизационных процессов, объемной мощности джоулева тепловыделения, полей газодинамических функций. Показано, что использование внешнего магнитного поля с индукцией Bz~0.01 Тл позволяет модифицировать распределение давления вдоль обтекаемой поверхности. Численное моделирование сопряженной газодинамической и электродинамической задачи об аномальном тлеющем разряде в плоском канале со сверхзвуковым потоком газа при скорости на входе в канал М=5 и давлении р=5 Торр подтвердило экспериментально установленный факт устойчивого существования тлеющего разряда между двумя электродами, расположенными напротив друг друга на расстоянии 2 см. Получены данные по электродинамической структуре аномального тлеющего разряда без внешнего магнитного поля, а также в поперечном к потоку магнитном поле с индукцией Bz=±0.1 Тл. Исследован маломощный тлеющий разряд с суммарным током 10-20 мА при напряжении между электродами порядка 1000 В. С использованием двух-температурной двух-жидкостной диффузионно-дрейфовой модели выполнено численное исследование электродинамической структуры аномального тлеющего разряда в покоящемся газе между двумя плоскими электродами, расположенными на одной поверхности. Исследован тлеющий разряд в молекулярном азоте при давлении р=0.6 Торр и падении напряжения между электродами порядка 1500 В и 430 В. Структура тлеющего разряда изучена без учета магнитного поля и в поперечном магнитном поле с индукцией Bz =±0.01 Тл. Взаимодействие нормального тлеющего разряда во внешнем магнитном поле со сверхзвуковым потоком молекулярного азота в плоском канале при числах Маха М =2 и М =5 изучено с использованием двухмерной численной модели, использующей систему сопряженных уравнений Навье-Стокса и двух-жидкостной двух-температурной диффузионно дрейфовой модели. Давление на входе потока в канал высотой 2 см полагалось равным 0.6 Торр, напряжение на противоположно расположенных поверхностях, выполняющих функции электродов, рассчитывалось с учетом внешней электрической цепи, содержащей омическое сопротивление 12 кОм и источник питания с э.д.с. 1000 В. Показано, что нормальный тлеющий разряд движется между электродами со скоростью заметно меньшей, чем скорость газового потока. Скорость перемещения токового столба разряда вдоль поверхностей может модифицироваться внешним магнитным полем. Тлеющий разряд оказывает обратное влияние на газовую динамику. Показано изменение давления вдоль поверхности в зависимости от параметров магнитного поля, воздействующего на разряд.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Расчетно-теоретические модели газовых разрядов во внешних магнитных полях найдут практическое применение при разработке электроразрядных устройств и технологий.