книги из ГПНТБ / Проблемы кинетики элементарных химических реакций к семидесятилетию акад. В. Н. Кондратьева [сборник]

Влияние кинетических и газодинамических факторов на горение 189

Рис. 4. Осциллограмма излуче­ ния С2 (верхний луч) и давле­

ния (нижний луч) для смеси С>Н, -г 0 2 л- au%N,

Развертка слева направо, пол­ ная длительность 100 мсек

изменение скорости выделения тепла в зоне реакции пламени, так как известно, что один С2 образуется при израсходовании ІО5 мо­ лекул 0 2. При горении гетерогенных смесей (жидкое топливо и га­ зообразный окислитель), кроме усиления слабых возмущений вследствие изменения скорости химической реакции в зоне пламе­ ни под воздействием возмущений давления (релаксационный ме­ ханизм) при достижении волной сжатия критических параметров по перепаду давления АР и продолжительности фазы сжатия тсж, появляется дополнительный механизм усиления волн сжатия. Этот механизм обусловлен дроблением капель жидкости под воздей­ ствием газового потока за волной с образованием очагов гетероген­ ной (мелкодисперсные капли) или гомогенной взрывчатой смеси и последующим самовоспламенением или быстрым сгоранием, вы­ зывающим возникновение новых волн давления, которые уси­ ливают первоначальную волну [12].

В качестве примера, иллюстрирующего влияние активных частиц (атомов и радикалов) на процессы горения, рассмотрим ус­ корение процесса самовоспламенения под воздействием ОН и О смеси, состоящей из метана и воздуха. Источником ОН и О явля­ лось диффузионное водородное пламя. В потоке воздуха в трубе сжигались небольшие количества водорода и на различном рас­

ратуре изменяются примерно на два порядка [13]. Таким образом, в процессе горения, когда зарождение активных частиц происхо­ дит сравнительно медленно или их мало (процессы воспламенения,

Влияние кинетических и газодинамических факторов на горение 191

сах экзотермического распада было установлено энергетическое ускорение реакции распада возбужденными продуктами реакции— молекулами N2, которые при столкновениях колебательно «нака­ чивают» исходные молекулы HN3 [14].

Есть основания полагать, что наблюдаемое энергетическое ус­ корение реакции представляет собой достаточно общее явление и по-видимому, может проявляться в целом ряде систем (N20, COS, СН2ІЧ2, азиды галогенов, C2N2 и др.).

Распад HN3 и N20 протекает с образованием инверсной насе­ ленности по колебательным уровням исходных молекул. В связи с этим возникает возможность создания химического лазера при высоком давлении (в опытах давление инверсионных молекул со­ ставляло более 1 атм) [15]. Специфические особенности обмена колебательной энергии в исследуемых реакциях представляют принципиальную возможность осуществления реакций распада и обмена с выделением колебательной энергии при быстром охлаж­ дении в расширяющемся сверхзвуковом потоке смеси, состоящей из реагирующих молекул и азота (своеобразный резервуар колеба­ тельной энергии).

ЛИ ТЕРАТУРА

1.С. М. Когарко, Я. Б. Зельдович. ДАН СССР, 63, 553 (1948).

2.С. М. Когарко, ЖТФ, 28, 2071 (1958).

3.А. А. Борисов, С. М. Когарко, А. В . Любимов. ДАН СССР, 149, 869 (1969).

4.С. М. Когарко, А. Г. Лямин, В. А. Михайлов. Физика горения и взрыва, 2, 234 (1968).

5.С. М. Когарко, А. Г. Лямин, В. А. Михайлов. Хим. пром., 12, 923 (1971).

6.С. М. Когарко, А. Г. Лямин, В. А. Михайлов. Хим. пром., 8, 621 (1965).

7.С. М. Когарко. Изв. АН СССР, ОХН, 1956, 419.

ДАН СССР, 184, 893 (1969).

И . И. С. Заслонко, С. М . Когарко, О. Б. Рябиков. Физика горения и взры­

ва, 4, 555 (1967).

12. Б . Е . Гельфанд, А. А. Борисов, С. А. Губин, А. Л. Подгребенков,

С.М. Когарко. ДАН СССР, 190, 621 (1970).

12.В. Я . Басевич, М. И. Девишев, С. М. Когарко. ЖФХ, 33, 2345 (1959).

РЕЛАКСАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ

ВСТРУЯХ ГАЗА И НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ

Н.И. Ющенкова

Расширение задач физической и химической кинетики, разви­ тие ракетной техники, плазмохимии и работ по преобразованию различных видов энергии стимулировали исследования релаксаци­ онных процессов в сверхзвуковых струях газа и низкотемператур­ ной плазмы. Существенный научный и практический интерес представляют недорасширенные струи, создаваемые в аэродинами­ ческих установках низкой плотности, позволяющие изучать ки­ нетику элементарных процессов и моделировать релаксационные процессы в струях, истекающих из сопел двигателей и газодинами­ ческих оптических квантовых генераторов. В настоящей статье приводятся результаты исследований физико-химических пара­ метров и структуры струй реагирующих газовых смесей и низко­ температурной плазмы инертных газов с примесями молекуляр­ ных газов.

КИНЕТИЧЕСКАЯ КАРТИНА ТЕЧЕНИЯ В СТРУЯХ

Неравновесные физико-химические параметры в потоках газа и плазмы исследовались теоретически методами релаксационной газовой динамики и экспериментально в аэродинамических уста­ новках низкой плотности с плазменными генераторами, высоко­ температурными печами (типа Кинга) и другими источниками. Исследования показали [1—5], что охлаждение плазмы и газа и па­ дение плотности р при сверхзвуковом расширении приводит к ки­ нетической картине течения, для которой характерно образование различных типов неравновѳсности. В потоках плазмы температура электронов Те отличается от температуры тяжелых частиц Т , кон­ центрации электронов пе не удовлетворяют уравнению Саха, засе­ ленности связанных электронных состояний атомов и ионов не под­ чиняются закону распределения Больцмана. В сверхзвуковых потоках молекулярных газов колебательные температуры Тѵвыше поступательных и концентрации компонент пг отличаются от рав­ новесных п 1р. Кинетическая картина течения в струях может быть определена на основании расчетов релаксационных параметров Тщ, щ, Те, Пе при полях газодинамических параметров р, Т, V,

соответствующих структуре недорасширенных струй для различ­ ных условий истечения PJPb = ѵаг (Ра—давление на срезе сопла, Рь — давление во внешней среде). В [1—9] исследованы три типа недорасширенных струй: истекающие в вакуум, в пространство с пониженным давлением и в спутный сверхзвуковой поток. Качест-

Релаксационные процессы в струях низкотемпературной плазмы 195

Рис. 2. Автомодельность форм замыкающего скачка в недорасширенных струях относи­

—10—»

Ha рис. 2, 3 представлены результаты экспериментальных ис­ следований формы замыкающего скачка в газовых струях, полу­ ченные методом визуализации в тлеющем разряде [7] и в струях плазмы физико-химическим методом [И], показавшие, что авто­ модельность формы замыкающего скачка в струях относительно

параметра Y Р JPb сохраняется только до определенных режимов истечения. При больших отношениях PJPb или низких давлениях Р 0 происходит изменение формы скачка — уменьшается диаметр диска Маха, при этом фронт скачка утолщается, что приводит к уменьшению области I. Обнаруженное изменение формы удар­ ных волн указывает на необходимость учета процессов переноса (вязкости, диффузии) при расчетах параметров недорасширенной струи разреженного газа.

Для оценки условий истечения, при которых возможно пренеб­ режение процессами переноса в области I, были проведены экспе­ риментальные исследования состава газа в струях плазмы [6, 8, 9]. Исследование проводилось в вакуумной аэродинамической уста­ новке с плазмотроном в качестве источника ионизированного газа [10]. Струя слабоионизированного аргона при различных режимах

сечении, dKV — диаметр критического сечения) истекала в ваку­

196 Н. И. Юшенкова

умную камеру, в которую вводился электроотрицательный газ

'(SFe, CC12F2, CCi4).

Проникновение газа в струю плазмы фиксировалось по изме­ нению концентраций электронов и ионов. Исследование пе прово­ дилось одиночными зондами Лэнгмюра, работавшими в молеку­ лярном режиме обтекания. Из результатов измерений пе, приве­ денных на рис. 4, следует, что с увеличением расстояния от среза сопла и разреженности струи возрастают поперечные размеры области струи, в которой концентрация электронов уменьшается, что указывает на проникновение электроотрицательного газа в струю ионизированного аргона. Сопоставление расстояния от среза сопла, на котором пе изменяется, с величиной з:0, следующей

из формулы (4), показало, что при (kKp/dKp) Y Р а/Рь < 10~3 диф­ фузией газа из внешней среды в струю можно пренебречь, и при расчетах физико-химических параметров можно использовать систему уравнений газовой динамики и кинетики без учета про­ цессов переноса. Предварительно необходимо выделить основ­ ные элементарные процессы.

В газовых смесях протекают химические реакции, возбуж­ дение и дезактивация колебательных и вращательных степеней свободы молекул, характеризующиеся временами гРхим,

т Ргол и тРвр. Поскольку установление равновесия по колебатель­

ным степеням свободы многоатомных молекул может происходить по нескольким каналам (в результате поступательно-колебатель­ ных, колебательно-колебательных и комплексных обменов энер­ гий), то при расчете времен релаксации пользоваться соотноше­

нием Тр =[(Q}Z0]-1, где число столкновений Z0 = YkT/m'k~1, Q — вероятность процесса, возможно, если есть некоторый основ­ ной механизм. Если имеется ряд параллельных механизмов (с близ­ кими вероятностями), тогда для определения тр необходимо ре­

Времена релаксации химических процессов: обменных реак­ ций и рекомбинации в струях С02—N2 и в продуктах сгорания (СО, Н, ОН, Н20, С02) оценивались на основании работ [12, 13].

Результаты расчетов тр. в различных областях струи показы­

вают, что времена релаксации с удалением от среза сопла возра­ стают более медленно, чем в волнах разрежения, причем для всех областей струи выдерживается соотношение тРхим тРкол> w

При переходе через фронт замыкающего скачка уплотнения посту­ пательная температура и плотность газа возрастают, а соотноше­ ние времен тр/тг (тг — характерное газодинамическое время течения) в области I I зависит от степени нерасчетности режима