Исследование физико-химических процессов в задачах с сильной термической неравновесностью в воздухе и водородо-воздушной смеси в уровневом и модовом приближениях

Проект посвящён решению актуальной научной проблемы – численному исследованию термически неравновесных физико-химических процессов, протекающих в высокотемпературных потоках воздуха за фронтом сильной ударной волны и при горении в воздухе водорода. Для этого необходимы как детальные кинетические моделей, основанные на наиболее точном уровневом приближении, так и более простые модели на базе модового приближения, которые могут быть использованы в многомерных расчётах течений неравновесного газа. В данной работе впервые будет создана детальная уровневая кинетическая модель, учитывающая динамику заселённости отдельных колебательных уровней молекул N2, O2 и NO не только в основном, но и в электронно-возбуждённых состояниях, а также широкий набор химических и плазмохимических реакций (диссоциации, ионизации, обмена и др.) и возможность нарушения термического равновесия между поступательными степенями свободы электронов и тяжёлых частиц. Будет исследована кинетика элементарных физико-химических процессов в воздушной плазме за фронтом сильной ударной волны и изучено влияние данных процессов на газодинамические параметры потока неравновесной воздушной плазмы при начальных условиях, характерных для задач гиперзвукового обтекания летательных аппаратов, движущихся в атмосфере Земли. Также будут построены оригинальные модифицированные модовые модели для воздушной плазмы и водородо-воздушной смеси, позволяющие описывать параметры потока неравновесного газа с точностью близкой к точности уровневого подхода. При этом с помощью методов квантовой химии будут определены константы скорости химических реакций с участием электронно-возбужденных молекул кислорода (в состояниях a1, b1, c1, A’3) и азота (в состояниях A3 и выше), в наибольшей степени влияющих на эволюцию параметров высокотемпературного потока воздушной смеси, содержащий молекулярный водород. С использованием модифицированной модовой модели будут исследованы процессы воспламенения и горения водородо-воздушной смеси в случаях неравновесного возбуждения колебательных и электронных степеней свободы молекул исходных компонентов за ударной волной и в электрическом разряде. Будет проведено исследование влияния такого возбуждения на инициирование и протекание разветвленных цепных реакций горения водорода в воздухе, а также на время задержки воспламенения.