Исследование релаксационных процессов в высокотемпературных газах на основе классических траекторных расчетов с учетом внутренних степеней свободы молекул, диссоциации и рекомбинации

Язык труда и переводы:
УДК:
533.72
Дата публикации:
28 декабря 2021, 00:57
Категория:
Секция 07. Развитие космонавтики и фундаментальные проблемы газодинамики, горения и теплообмена
Авторы
Русаков Сергей Викторович
Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н. Е. Жуковского
Ерофеев Александр Иванович
Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н. Е. Жуковского
Аннотация:
Предложена новая динамическая модель столкновений молекул для метода прямого статистического моделирования Монте-Карло. Параметрами модели служат значения потенциалов межатомного и межмолекулярного взаимодействий и выбираются на основе теоретических и экспериментальных данных. Решена задача о пространственно однородной релаксации смеси двухатомных газов. Показано, что система смеси газов приходит к термодинамическому равновесию. Решена задача о структуре ударной волны в кислороде. Проведено сравнение численных расчетов с экспериментом по ударным волнам.
Ключевые слова:
метод прямого статистического моделирования, структура ударной волны, внутренние степени свободы молекул, диссоциация, рекомбинация, траекторные расчёты
Основной текст труда

С развитием вычислительной техники и параллельных вычислений стало возможным проведение столкновений молекул с помощью траекторных расчётов, которые основаны на законах классических уравнений движения [1, 2]. В данной работе потенциальная энергия система определялась как сумма энергий парного взаимодействия атомов, и описывалась потенциалами Морзе, параметры которого пределяются для каждой пары атомов и зависят от того, входят ли атомы в одну молекулу, или это атомы, принадлежащие разным молекулам.

Модель имеет динамический характер и отличается от других отсутствием подгоночных параметров, например, для феноменологических моделей параметры варьируются в соответствии с исходными условиями протекания процессов. TRVRD-модель учитывает внутренние степени свободы частиц, такие как вращательные и колебательные, диссоциацию молекул и рекомбинацию атомов в тройных столкновениях. При столкновениях частиц происходит обмен энергиями между их внутренними и поступательными степенями свободы.

В более простом варианте (без учета диссоциации и рекомбинации) описание модели представлено в работе [3].

Тестирование модели проведено на задаче о пространственно-однородной релаксации смеси газов — азота, кислорода и окиси азота NO в произвольных концентрациях. Начальные температуры компонент смеси и отдельных степеней свободы конкретного газа задавались также произвольными. В результате парных или тройных столкновений частиц система приходила к термодинамическому равновесию с одной температурой и с погрешностью менее 10 %.

Решена задача о структуре ударной волны в кислороде. Проведено сравнение с экспериментом [4, 5]. Показано, что использованные в работе простые потенциальные поверхности обеспечивают хорошую согласованность с экспериментальными данными.

Траекторные расчеты требуют больших вычислительных мощностей, поэтому для расчётов применяется распараллеливание вычислительных потоков. Это было сделано с помощью пакета OpenMP для языка программирования Intel Fortran. Коэффициент загруженности процессора ЭВМ (Intel Core i7-2600k 3.4 GHz или Amd Ryzen 9 3950X 3.5 GHz) достигал 75 % и более.

Литература
  1. Gimelshein S.F., Wysong I.J. Bird’s total collision energy model: 4 decades and going strong // Physics of Fluids. 2019. Vol. 31. Art. ID 076101. DOI: 10.1063/1.5097706
  2. Valentini P., Schwartzentruber T.E., Bender J.D., Nompelis I., Candler G.V. Direct molecular simulation of nitrogen dissociation based on an ab initio potential energy surface // Physics of Fluids. 2015. Vol. 27. Art. ID 086102. DOI: 10.2514/6.2015-0474
  3. Ерофеев А.И., Русаков С.В. Применение классических траекторных расчетов столкновения молекул для вычисления коэффициентов переноса и изучения истечения разреженного газа в вакуум // Ученые записки ЦАГИ. 2020. Т. LI, № 8. С. 13–28.
  4. Ибрагимова Л.Б., Левашов В.Ю., Сергиевская А.Л., Шаталов О.П. Моделирование колебательно-диссоциационной кинетики кислорода при температурах 4000–11000 K // Известия РАН. Механика жидкости и газа. 2014. № 1. С. 131–140.
  5. Ibraguimova L.B., Sergievskaya A.L., Levashov V.Yu., Shatalov O.P., Tunik Yu.V. et al. Investigation of oxygen dissociation and vibrational relaxation at temperatures 4000–10800 K // J Chem Phys. 2013. Vol. 139. Art. ID 034317. DOI: 10.1063/1.4813070
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.