ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ В УДАРНО-НАГРЕТОЙ СМЕСИ CO 2  И N 2  МЕТОДОМ ПРЯМОГО СТАТИСТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Кусов А. Л.; Быкова Н. Г.; Герасимов Г. Я.; Забелинский И. Е.; Козлов П. В.; Левашов В. Ю.

doi:10.31857/S1024708423600252

ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ В УДАРНО-НАГРЕТОЙ СМЕСИ CO₂ И N₂ МЕТОДОМ ПРЯМОГО СТАТИСТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Authors: Кусов А.¹, Быкова Н.¹, Герасимов Г.¹, Забелинский И.¹, Козлов П.¹, Левашов В.¹
Affiliations:
1. МГУ им. М.В. Ломоносова, Научно-исследовательский институт механики
Issue: No 6 (2023)
Pages: 192-204
Section: Articles
URL: https://journals.rcsi.science/1024-7084/article/view/231752
DOI: https://doi.org/10.31857/S1024708423600252
EDN: https://elibrary.ru/QOXBJC
ID: 231752

Cite item

Full Text

Open Access
Restricted Access

Access granted
Restricted Access

Subscription Access

Abstract
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

Предложена модель для численного исследования излучения за фронтом сильной ударной волны в газовой смеси CO₂–N₂. Модель основана на методе прямого статистического моделирования Монте-Карло и учитывает физико-химические свойства атомов и молекул, поступательно-вращательный и поступательно-колебательный обмен энергией, кинетику химических реакций, возбуждение электронных уровней атомов и молекул, а также процессы переноса радиационной энергии. Проведена серия расчетов спектральных характеристик ударно нагретой смеси. Полученные результаты сравниваются с имеющимися экспериментальными данными.

Keywords

ударные волны, излучение, смесь CO₂–N₂, метод прямого статистического моделирования Монте-Карло, спектральные характеристики

References

Braun M., Bruce P., Levis E. Strategies to utilize advanced heat shield technology for high-payload Mars atmospheric entry missions // Acta Astronaut. 2017. V. 136. P. 22–33.
Суржиков С.Т., Яцухно Д.С. // Анализ летных данных по конвективному и радиационному нагреву поверхности спускаемого марсианского космического аппарата SCHIAPARELLI // Изв. РАН. МЖГ. 2022. № 6. С. 73–84.
Суржиков С.Т. Радиационно-конвективный теплообмен космического аппарата сферической формы // ТВТ. 2011. Т. 49. № 1. С. 92–107.
Reyner P. Survey of CO2 radiation experimental data in relation with planetary entry // Galaxies. 2021. V. 9. № 15. 41 p.
Gu S., Olivier H. Capabilities and limitations of existing hypersonic facilities // Prog. Aerospace Sci. 2020. V. 113. № 100607. 27 p.
Bose D., Grinstead J.H., Bogdanoff D.W., Wright M.J. Shock layer radiation measurements and analysis for Mars entry // Proc. 3rd Int. Workshop on Radiation of High Temperature Gases in Atmospheric Entry. 2008. ESA SP-667. Heraklion, Greece.
Grinstead J.H., Wright M.J., Bogdanoff D.W., Allen G.A. Shock radiation measurements for mars aerocapture radiative heating analysis // J. Thermophys. Heat Transfer. 2009. V. 23. P. 249–255.
Cruden B.A., Prabhu D., Martinez R., Le H., Bose D., Grinstead J.H. Absolute radiation measurement in Venus and Mars entry conditions // AIAA Paper 2010–4508. 15 p.
Cruden B.A., Prabhu D., Martinez R. Absolute radiation measurement in Venus and Mars entry conditions // J. Spacecr. Rockets. 2012. V. 49. 1069–1079.
Brandis A.M., Johnston C.O., Cruden B.A., Prabhu D. Investigation of nonequilibrium radiation for Mars entry // AIAA Paper 2013–1055. 36 p.
Brandis A.M., Johnston C.O., Cruden B.A. Validationof CO 4th positive radiation for Mars entry // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2013. V. 121. P. 91–104.
Cruden B.A. Absolute radiation measurement in Earth and Mars entry conditions // Von Karman Inst. Lecture Ser. 2014. № STO-AVT-218-VKI.
Johnston C.O., Brandis A.M. Modeling of nonequilibrium CO Fourth-Positive and CN Violet emission in CO2–N2 gases // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2014. V. 149. P. 303–317.
Горелов В.А., Киреев А.Ю., Шиленков С.В. Неравновесное молекулярной излучение за фронтом сильной ударной волны в смеси CO2-N2-O2 // ПМТФ. 2005. Т. 46. № 2. С. 13–22.
Takayanagi H., Lemal A., Nomura S., Fujita K. Measurements of carbon dioxide nonequilibrium infrared radiation in shocked and expanded flows // J. Thermophys. Heat Transfer. 2018. V. 32. P. 483.
Анохин Е.М., Иванова Т.Ю., Кудрявцев Н.Н., Стариковский А.Ю. Динамика излучения в смеси CO–N2 за сильными ударными волнами // ТВТ. 2007. Т. 45. № 6. С. 807–813.
Залогин Г.Н., Козлов П.В., Кузнецова Л.А., Лосев С.А., Макаров В.Н., Романенко Ю.В., Суржиков С.Т. Излучение смеси CО2–N2–Ar в ударных волнах: эксперимент и теория // ЖТФ. 2001. Т. 71. № 6. С. 10–16.
Козлов П.В., Забелинский И.Е., Быкова Н.Г., Герасимов Г.Я., Левашов В.Ю. Экспериментальное исследование радиационных характеристик смеси CO2–N2 за фронтом сильной ударной волны // Хим. физика. 2021. Т. 40. № 12. С. 23–28.
Ступоченко Е.В., Лосев С.А., Осипов А.И. Релаксационные процессы в ударных волнах. М.: Наука, 1965. 484 с.
Грим Г. Спектроскопия плазмы. М.: Атомиздат, 1969. 452 с.
Авилова И.В., Биберман Л.М., Воробьев В.С. и др. Оптические свойства горячего воздуха. М.: Наука, 1970. 320 с.
Каменщиков В.А., Пластинин Ю.А., Николаев В.М. и др. Радиационные свойства газов при высоких температурах. М.: Машиностроение, 1971. 440 с.
Лохте-Хольтгревен В. Методы исследования плазмы. Спектроскопия, лазеры, зонды. М.: Мир, 1971. 126 с.
Кузнецова Л.А., Кузьменко Н.Е., Кузяков Ю.Я., Пластинин Ю.А. Вероятности оптических переходов двухатомных молекул. М.: Наука, 1980. 320 с.
Park C. Nonequilibrium Hypersonic Aerothermodynamics. New York: Wiley, 1990. 358 p.
Уэйн Р. Основы и применения фотохимии. М.: Мир, 1991. 304 с.
Ельяшевич М.А. Атомная и молекулярная спектроскопия. М.: УРСС. 2001. 894 с.
Суржиков С.Т. Оптические свойства газов и плазмы. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. 575 с.
Whiting E., Park C., Yen L., Arnold J., Paterson J. NEQAIR96, Nonequilibrium and equilibrium radiative transport and spectra program: user’s manual // Tech. Rep. NASA RP-1389. Moffett Field: Ames Research Center, 1996.
Кузнецова Л.А., Суржиков С.Т. Информационно-вычислительный комплекс MSRT-RADEN. I. Основная модель коэффициентов поглощения // Мат. моделирование. 1998. Т. 36. № 3. С. 15–28.
Johnston C.O., Hollis B.R., Sutton K. Spectrum modeling for air shock-layer radiation at lunar-return conditions // J. Spacecr. Rockets. 2008. V. 45. P. 865–878.
Kumar N., Bansal A. Flow and radiation modeling over a Martian entry vehicle // Acta Astronaut. 2023. V. 205. P. 172–184.
Johnston C.O., Hollis B.R., Sutton K. Non-Boltzmann modeling for air shock-layer radiation at lunar-return conditions // J. Spacecr. Rockets. 2008. V. 45. P. 879–890.
Суржиков С.Т. Применение квазистационарных eRC-моделей для расчета неравновесного излучения ударных волн при скорости порядка 10 км/с // Физ.-хим. кинет. газ динам. 2022. Т. 23. № 4. 39 с.
Lemal A., Jacobs C.M., Perrin M.-Y., Laux C.O., Tran P., Raynaud E. Prediction of nonequilibrium air plasma radiation behind a shock wave // J. Thermophys. Heat Trans. 2016. V. 30. P. 197–210.
Karpuzcu I.T., Jouffray M.P., Levin D.A. Collisional radiative modeling of electronically excited states in a hypersonic flow // J. Thermophys. Heat Transfer. 2022. V. 36. P. 982–1002.
Du Y.W., Sun S.R., Tan M.J., Zhou Y., Chen X., Meng X., Wang H.X. Non-equilibrium simulation of energy relaxation for earth reentry utilizing a collisional-radiative model // Acta Astronaut. 2022. V. 193. P. 521–537.
Zhu T., Li Z., Levin D.A. Modeling of unsteady shock tube flows using direct simulation Monte Carlo // J. Thermophys. Heat Transfer. 2014. V. 28. P. 623–634.
Gimelshein S.F., Wysong I.J., Fangman A.J. et al. Kinetic and continuum modeling of high-temperature air relaxation // J. Thermophys. Heat Transfer. 2022. V. 36. P. 870–893.
Bird G.A. Molecular Gas Dynamics and the Direct Simulation of Gas Flows. Oxford: Clarendon Press, 1994. 458 p.
Boyd I.D. Computation of hypersonic flows using the direct simulation Monte Carlo method // AIAA Paper 2013–2557. 33 p.
Кусов А.Л. О релаксации вращательной энергии молекул в методе прямого статистического моделирования Монте-Карло // Мат. моделирование. 2017. Т. 29. № 8. С. 95–109.
Grover M.S., Schwartzentruber T.E. Internal energy relaxation and dissociation of molecular oxygen using direct molecular simulation // AIAA Paper 2017–3488. 16 p.
Wysong I., Gimelshein S. Modeling hypersonic reacting flows using DSMC with the Bias reaction model // AIAA Paper 2017–4025. 15 p.
Beyer J., Pfeiffer M., Fasoulas S. Non-equilibrium radiation modeling in a gas kinetic simulation code // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2022. V. 280. № 108083. 13 p.
Tibère-Inglesse A., Cruden B.A. Analysis of nonequilibrium atomic and molecular nitrogen radiation in pure N2 shockwaves // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2022. V. 280. № 108302. 16 p.
Кусов А.Л., Быкова Н.Г., Герасимов Г.Я., Забелинский И.Е., Козлов П.В., Левашов В.Ю. Прямое статистическое моделирование излучения за фронтом ударной волны в смеси CO2 и N2 // Физ.-хим. кинет. газ. динам. 2023. Т. 24. № 2. 63 с.
Park C., Howe J.T., Jaffe R.L., Candler G.V. Review of chemical-kinetic problems of future NASA missions, II: Mars entries // J. Thermophys. Heat Transfer. 1994. V. 8. P. 9–23.
Borgnakke C., Larsen P.S. Statistical collision model for Monte Carlo simulation of polyatomic gas mixture // J. Comput. Phys. 1975. V. 18. P. 405–420.
Ibragimova L.B., Shatalov O.P. Non-equilibrium kinetics behind shock waves experimental aspects // High Temperature Phenomena in Shock Waves. Berlin: Springer, 2012. P. 99–147.
Nomura S., Kawakami T., Fujita K. Nonequilibrium effects in precursor electrons ahead of shock waves // J. Thermophys. Heat Transfer. 2021. V. 35. P. 518–523.
Adamson S., Astapenko V., Deminskii M., Eletskii A., Potapkin B., Sukhanov L., Zaitsevskii A. Electron impact excitation of molecules: Calculation of the cross section using the similarity function method and ab initio data for electronic structure // Chem. Phys. Lett. 2007. V. 436. P. 308–313.
Sun Q., Winstead C., McKoy V. Electronic excitation of carbon monoxide by low-energy electron impact // Phys. Rev. A. 1992. V. 46. P. 6987–6994.
Mumma M.J., Stone E.J., Zipf E.C. Excitation of the CO Fourth Positive Band System by Electron Impact on Carbon Monoxide and Carbon Dioxide // J. Chem. Phys. 1971. V. 54. P. 2627–2634.
Ajello J.M. Emission Cross Sections of CO by Electron Impact in the Interval 1260–5000 Å // J. Chem. Phys. 1971. V. 55. P. 3158–3168.
NIST Atomic Spectra Database, Version 5.9. Gaithersburg: NIST, 2021.
Кусов А.Л., Быкова Н.Г. Теоретические основы расчета факторов Хёнля-Лондона двухатомных молекул // Физ.-хим. кинет. газ. динам. 2022. Т. 23. № 1. 21 с.
Гурвич Л.В., Вейц И.В., Медведев В.А и др. Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Т. I. Кн. 1. М.: Наука, 1978. 496 с.
Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. М.: Физматлит, 2008. 656 с.
Badnell N.R., Bautista M.A., Butler K., Delahaye F., Mendoza C., Palmeri P., Zeippen C.J., Seaton M.J. Updated opacities from the Opacity Project // Mon. Not. R. Astron. Soc. 2005. V. 360. P. 458–464.
Дикалюк А.С., Суржиков С.Т. Расчетное исследование модели неравновесного излучения за фронтом ударных волн в марсианской атмосфере // Изв. РАН. МЖГ. 2013. № 1. С. 141–160.
Collen P.L., Doherty L.J., McGilvray M. Measurements of radiating hypervelocity air shock layers in the T6 free-piston driven shock tube // Intern. Conf. FAR–2019. 2019. № 1053360.
Qin Z., Zhao J.M., Liu L.H. Radiative transition probabilities for the main diatomic electronic systems of N2, , NO, O2, CO, CO+, CN, C2 and H2 produced in plasma of atmospheric entry // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2017. V. 202. P. 286–301.
Козлов П.В., Забелинский И.Е., Быкова Н.Г., Герасимов Г.Я., Левашов В.Ю. Экспериментальное исследование излучательных характеристик ударно-нагретого воздуха в ультрафиолетовой и видимой областях спектра // Изв. РАН. МЖГ. 2022. № 6. С. 85–93.
Greenberg R.B., Cruden B.A., Grinstead J.H., Yeung D. Collection optics for imaging spectroscopy of an electric arc shock tube // Proc. SPIE 7429, Novel Optical Systems Design and Optimization XII. 2009. № 74290H.