Неравновесные физико-химические процессы в радиационной и магнитной газовой динамике

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.