Течения с неравновесными химическими реакциями

В смесях, содержащих атомы и радикалы, образующиеся при введении НзО в дозвуковую часть течения, кинетика химических реакций приводит к образованию высоких (неравновесных) концентраций Н, ОН [17]. [c.202]

При выводе уравнения (16) мы пренебрегли производством энтропии за счет неравновесия химических реакций. Как показывают точные расчеты неравновесных течений, изменение потока энтропии в результате неравновесности химических реакций пренебрежимо мало и по порядку величины равно 0,01% [4]. Уравнения (1), (2) и (16) представляют собой термодинамическое описание исследуемой системы, для замыкания которой необходимо привлечь законы химической кинетики, аэродинамики и теплообмена. [c.27]

Течения с неравновесными химическими реакциями [c.257]

Одномерное приближение. Течение с релаксацией колебательных степеней свободы в сопле в одномерном приближении описываются, как н в случае течений с неравновесными химическими реакциями, системой уравнении (6.28) — (6.30), (6.32), [c.283]

Увеличение расхода в неравновесных течениях по сравнению с равновесными является при одинаковых параметрах торможения и площади общим свойством неравновесных течений. Этот факт отмечался выше при рассмотрении течений с неравновесными химическими реакциями и неравновесным возбуждением колебательных степеней свободы. Различие состоит лишь в том, что в двухфазных течениях увеличение расхода может достигать десятков процентов, особенно при большой массовой доле частиц, в то время как в однофазных неравновесных течениях увеличение расхода не превышает процента. [c.298]

Киреев В. И., Пирумов У. Г. Расчет стационарных сверхзвуковых течений с неравновесными химическими реакциями. Ц ЖВМ и МФ.— [c.356]

Во многих случаях химические реакции при высоких энергиях (или температурах) осуществляют одним из трех путей 1) накачка энергии или подогрев заранее приготовленной смеси реагентов 2) смешение холодной компоненты с горячей (например, в плазменной струе) 3) смешение двух реагирующих газов (один из которых является плазмообразующим), имеющих различные энергии (температуры). Второй и третий пути включают в качестве необходимого этапа процесс смешения реагирующих компонентов. Этот процесс протекает за конечное время, в течение которого химическая реакция может происходить в неоднородной, неизотермической системе со значительной переменней во времени и пространстве скоростью, причем в условиях неравновесных реагирующих систем [c.279]

Развитие теоретических исследований неравновесных газовых течений способствовало также появление быстродействующих вычислительных машин. Необходимость учета релаксационных явлений при расчете газовых течений обусловлена следующими причинами. В области высоких температур и давлений протекают различные химические реакции, процессы диссоциации, ионизации, возбуждения колебательных и электронных степеней свободы. Если времена этих процессов сравнимы с характерными временами макроскопических процессов, то происходит значительное отклонение от состояния термохимического равновесия, вызывающее в свою очередь существенное изменение картины течения. Нарушение локального термохимического равновесия при расширении диссоциированной смеси в ракетном сопле может привести к значительным потерям тяги. Недостаточно высокая скорость электронно-ионной рекомбинации в [c.118]

Расчет неравновесных потоков представляет достаточно сложную задачу, так как требует совместного решения уравнений газодинамики, термодинамики и кинетики релаксационных процессов. По этой причине при рассмотрении неравновесных явлений часто ограничиваются случаем одномерного стационарного течения идеально-газовой смеси. Обычно не учитывают вязкость, теплопроводность и диффузию. Процессы внутреннего переноса у стенки каналов исследуют обычно в приближении пограничного слоя, полагая при этом, что роль пограничного слоя сводится к уменьшению поперечного сечения канала. Методы расчета пограничного слоя при наличии химических реакций изложены в работах [368—373]. [c.119]

Диссипативная структура — это особое состояние сильно неравновесной системы. В таких системах происходит интенсивный перенос энергии, сопровождающийся ее потерями. Это может быть перенос теплоты от нагретого тела к холодному через слой жидкости или передача механической энергии одного движущегося тела другому через слой жидкости или самой жидкой среде. Это может быть также химическая реакция или передача энергии переменного поля частицам феррита и т. д. Течение этих процессов может принимать своеобразный, регулярный характер. Предпочтительность регулярного течения процесса обусловлена тем, что при прочих равных условиях (например разности температур) скорость переноса энергии увеличивается за счет включения дополнительных механизмов переноса. Классический пример диссипативной структуры — регулярные ячейки конвективных потоков среды при теплопередаче, если нагретое тело расположено внизу, а холодное — вверху. В этом случае теплопередача интенсифицируется за счет конвективного переноса теплоты в дополнение к нормальной теплопередаче неподвижной теплопроводной средой. Обычные волны на поверхности воды служат другим примером диссипативной структуры. Здесь, наряду с пространственной регулярностью возмущений поверхности, возникает и регулярность изменения состояния поверхности во времени. Пример чисто временной регулярности дают некоторые колебательные химические реакции. Внешне периодичность реакции может проявлять себя в том, что цвет раствора периодически с частотой несколько раз в минуту изменяется, например, с красного на синий и обратно. Такие колебания продолжаются до окончания реакции, длящейся десятки минут. [c.680]

Учение о скорости химических реакций становится все более важным разделом химии, имеющим как теоретическое, так и практическое значение. Характерным для современного этапа развития химической науки является количественное изучение скоростей химических реакций и детальное изучение их механизма. В этом отношении большим преимуществом обладают реакции, протекающие в газовой фазе, свободные от влияния окружающей среды, будь то растворитель в случае жидкофазных реакций или твердая матрица. Каждую элементарную реакцию, протекающую в газовой фазе, в хорошем приближении можно трактовать как взаимо,-действие реагирующих частиц между собой, не осложненное возмущающим влиянием окружающих молекул. По этой причине теоретическое рассмотрение динамики элементарного химического акта обычно оказывается близким к наблюдаемому на опыте процессу. И вполне естественно, что теория, какой бы несовершенной она еще ни была, оказывается наиболее эффективной в трактовке химических процессов в газовой фазе. Вызываемое реакцией нарушение максвелл-больцмановского распределения энергии, оказывающее обратное влияние на течение реакции, допускает наиболее ясную трактовку также для газофазных реакций, в случае которых эти нарушения проявляются особенно ярко. Совместное рещение химических и релаксационных уравнений, необходимое для учета протекания реакций в неравновесных условиях, практически осуществимо лишь для газовой фазы. [c.5]

Лазерными свойствами обладают и вязкие газодинамические течения, где за счет механизма диффузии и соответствующим образом подобранных химических реакций можно добиться получения эффекта инверсии и усиления [47]. Таким образом, в физической газовой динамике в самых различных течениях может иметь место сильная уровневая неравновесность. Это явление может быть использовано не только для селективного усиления или поглощения излучения, но и для диагностики течений, при выявлении характерных признаков потоков и т. д. Во внешних гидродинамических течениях этот эффект можно стимулировать электрическим разрядом, наружным дожиганием топлива и т. п. [c.123]

В данной работе термодинамический метод обобщается на общий случай неравновесных течений двухфазных жидкостей с учетом конечной скорости протекания химических реакций в газовой фазе. [c.23]

Неравновесная населенность ядерных зеемановских уровней в молекулах сохраняется в течение времени Г 1—100 с), поэтому для обнаружения и детектирования ХПЯ необходимо проводить реакцию в датчике регистрирующего спектрометра ЯМР. Проще всего это осуществляется для термических реакций, так как в этом случае не требуется никакой модификации спектрометра. Кинетику ХПЯ обычно исследуют путем периодической записи всего спектра или отдельных его участков, пример такой записи показан на рис. П. 19. Из кинетики ХПЯ по уравнениям, приведенным в работе [25], можно определить константы скорости химической реакции, коэффициенты поляризации и времена релаксации. В работе [184] предложена техника импульсного насыщения и обращения сигнала ХПЯ, которая позволяет определять независимо времена ядерной релаксации в ходе реакции. [c.192]

Расчет неравновесного течения выполнялся от сечения в дозвуковой части сопла, в котором давление р= (0,9—0,95) рсо- Вверх по потоку от этого сечения процесс расширения предполагается равновесным. Потери удельного импульса н, обусловленные неравновесным протеканием химических реакций, определялись как разность удельного импульса равновесного и неравновесного течения при одинаковых г, отнесенная к удельному импульсу равновесного течения. [c.47]

Протекание химических реакций в газоразрядной плазме пониженного давления характеризуется рядом особенностей. Химически реагирующая плазма является неравновесной системой, в которой течение процессов определяется в основном ударами быстрых электронов. Это обусловливает необходимость кинетического подхода к исследованию плазменных процессов. В то же время энергетическое распределение электронов в плазме является, как правило, не максвелловским, и может сильно изменяться с изменением параметров разряда. Так как теоретические расчеты функции распределения электронов по энергиям в настоящее время могут быть проведены лишь для простейших случаев [1—4], необходимо их экспериментальное измерение. [c.37]

В большинстве прикладных задач не удается описать течение газа, используя лишь модель идеального газа. Реальное течение сопровождается физико-химическими процессами, природа которых и методы их математического описания суп] ественно различаются. Однако, несмотря на одновременное протекание различных ре таксационных процессов, их удается разделить и изучать независимо, поскольку взаимное влияние по суп] еству невелико. В частности, неравновесное возбуждение или дезактивацию колебательных степеней свободы можно изучить, используя неравновесные значения концентраций различных компонент, полученные в предположении равновесия поступательных и колебательных степеней свободы. Характер неравновесного протекания химических реакций в двухфазной среде лишь в малой степени зависит от динамического и теплового состояния частиц. В связи с этим в настоящей и следующей главах будут раздельно рассмотрены неравновесные физико-химические процессы, которые могут иметь место в соплах, в том числе неравновесное возбуждение колебательных степеней свободы, химические реакции, неравновесные двухфазные течения. [c.250]

Рис. 6.2. Зависимость удельного импульса в пустоте 1у и температуры Г от г при а = 1, Ро = 15 МПа 1 — равновесное течение, 2 — химически неравновесное течение, 3 — химически замороженное течение, 4 — течение с замороженными химическими реакциями и энергией колебательных степеней свободы

Распределение концентраций компонентов на различных линиях тока неравновесного течения (рис. 6.4) характеризуется слабой зависимостью их от формы линий тока и распределения давления на них, что находится в соответствии с результатами расчетов в одномерном приближении. В то же время в равновесном течении концентрации компонентов на различных линиях тока отличаются значительно. На рис. 6.4 пунктиром показаны результаты расчета неравновесного течения в одномерном приближении. Одномерное приближение можно использовать с достаточной для практики точностью при расчете концентраций компонентов, однако значения температуры определяются достоверно лишь в областях с малыми градиентами. Потери импульса, связанные с неравновесным протеканием химических реакций, с высокой точностью могут быть определены в рамках одномерного приближения. [c.274]

Пусть число независимых компонентов в смеси равпо т, число компонентов в газовой фазе — Л , из которых первые т — конденсирующиеся. Система уравнений, описывающая в одномерном приближении течение с неравновесным протеканием химических реакций и неравновесной конденсацией, имеет вид [c.323]

Строго говоря, условие (4) является необходимым, но не достаточным критерием наличия равновесия в системе. Действительно, произвольная смесь водорода и кислорода является однородной и практически стационарной, поскольку современные аналитические методы в течение длительного времени не обнаруживают признаков протекания химической реакции. Однако, достаточно систему нагреть или ввести соответствующий катализатор, и начнется химическая реакция, протекающая при определенных условиях со взрывом. О таких системах говорят, что они термодинамически неравновесны и кинетически заторможены. [c.18]

Может возникнуть вопрос, что означают равенства (16, 17), ведь изолированная система не может произвести работу Соотношения (16, 17) характеризуют максимальное значение некомпенсированной теплоты в полностью неравновесном процессе, протекающем в изолированной системе. Оно равно величине максимальной полезной работы, которую система могла бы совершить в равновесном процессе при обмене энергией с окружающей средой. Проиллюстрируем это заключение на конкретном примере. При измерении ЭДС гальванического элемента компенсационным методом, когда ЭДС равна приложенному внешнему напряжению, течение химической реакции происходит в равновесных условиях, поэтому [c.28]

Неравновесные процессы принято подразделять на скалярные, векторные и тензорные в зависимости от того, какое поле приходится использовать для описания процесса. К группе скалярных процессов, как уже было упомянуто в ответе на вопрос 12, относятся химические реакции и структурная релаксация. Векторными процессами являются диффузия и теплопроводность однородных сред, поскольку с ними связаны поля векторов потоков массы и теплоты. Наконец, к тензорным процессам можно отнести вязкие течения или теплопроводность неоднородных сред. [c.35]

Таким образом, специфика конкретного сложного химического процесса существенно зависит от величины его скорости. Подчиняясь законам сохранения энергии и возрастания энтропии в целом (потенциальность в большом), локально реакция может быть свободной от ограничений второго начала (псевдопотенциальность в малом). Следующая механическая аналогия, заимствованная из [11, очень хорошо отражает существо и принципиальные закономерности сложного нелинейного неравновесного химического процесса. Представим себе поток воды, стекающий с некоторого озера, расположенного на вершине холма. Даже точное и полное знание рельефа склонов не позволяет однозначно найти характеристики стоков. В каждой точке рельефа течение определяется не только локальными особенностями рельефа, но и предысторией процесса (т. е. рельефом в целом). Наличие поперечных перетоков (нелинейные связи), возможность течения воды по направлениям, обеспечивающим локально более высокую скорость, но менее благоприятных в целом (маршруты реакции), и т. д. и т. п. — все это проявления локальной псевдопотенциальности, не позволяющие описать процесс однозначно. Ясно, что с ростом скорости потока (зависящей в числе прочего и от массы воды в озере) эти трудности усугубляются (высокая неравновесность), с падением же скорости (малая масса воды в озере, пологий рельеф) процесс приближается к равновесному, и его особенности могут быть учтены все более и более строго (в том числе и в рамках линейного приближения). [c.103]

За последнее время было выполнено большое количество расчетно-теоретических работ, посвященных исследованию влияния кинетики химических реакций [299— 347], колебательной релаксации [348—357], электронноионной рекомбинации [358—363] на параметры высокотемпературных газовых потоков. Появился ряд монографий [262, 364—367], в которых рассмотрены основные особенности газовых течений при наличии релаксационных явлений. Интерес к неравновесным течениям в значительной мере обусловлен развитием ракетной техники, исследованиями в аэродинамических экспериментальных установках и МГД-генераторах. [c.118]

Одномерное неравновесное течение с гомогенной конденсацией. В общем случае в потоке может происходить одновременно конденсация нескольких компонентов, однако, согласно правилу фаз (6.10), число конденсирующихся компонентов пе должно превышать числа независимых элементов, из которых образованы компоненты смеси. Одновременно с конденсацией могут протекать и химические реакции, при этом целесообразно массовые (или молярные) доли неконденсирующихся компонентов определять либо из уравнений химической кинетики, если реакции протекают неравновесно, либо из закона действующих масс, если опи протекают равновесно. Молярные доли конденсирующихся компонентов следует определять из конечных уравнений материального баланса, число которых, в силу правила фаз, равпо числу конденсирующихся комнонеитов. [c.323]

Следует отметить, что непостоянство удельных теплоемкостей и наличие химических реакций в сопле не являются единственной причиной отклонений значений удельного импульса для реальных ракетных двигателей от значений, определяемых формулой (11). Здесь не были рассмотрены нерасчетные режимы , т. е. не были получены формулы для Isp в случаях, когда давление отличается от местного атмосферного давления. Не учитывалась возможность возникновения ударных волн в сопле при определенных условиях и их влияние. Не были упомянуты изменения в выражении для Igp, обусловленные расхождением линий тока на выходе сопла. Не учитывались также такие эффекты, как неполнота сгорания в камере (т. е. поступление в сопло неравновесной горяш,ей смеси), пристеночное трение при течении в сопле, теплопередача к стенкам сопла, регенеративное охлаждение стенок жидким топливом и т. д. Для ознакомления с этими вопросами можно рекомендовать читателю руководства [1 ]. [c.99]

В случае неравновесного потока необходимо учитывать ряд новых процессов передачи химической энергии, которые не учитываются в равновесных потоках или при течении идеального газа. В частности, при взаимодействии неразрушаемой поверхности с потоком существенными оказываются ее каталитические свойства. Несмотря на то, что о значительном влиянии гетерогенной рекомбинации на теплообмен при гиперзвуковых скоростях полета стало известно еще в 50-е годы [17], проблема описания гетерогенных каталитических процессов в гиперзвуковых потоках остается актуальной и в настоящее время. По сравнению с кинетикой гомогенных реакций механизм и скорости процессов, определяющие взаимодействие газа с поверхностью гораздо менее изучены и выражены количественно. Тем не менее, понимание и контроль за этими процессами имеют решающее значение для разработки и создания теплозащитных систем, применяемых при входе космических аппаратов в атмосферу планет. Так, если отличие в тепловых потоках для различных моделей гомогенных химических реакций достигает 25 %, то тепловые потоки, полученные при различных предположениях о каталитических свойствах поверхности, отличаются значительно больше. Тепловой поток к лобовой поверхности аппарата может быть снижен за счет использования некаталитического покрытия в несколько раз на значительной части траектории спуска, включая область максимальных тепловых нагрузок. [c.7]

В физической аэродинамике большое внимание уделяется исследованиям неравновесных процессов в течениях газа и плазмы, что связано с задачами авиационной и космической техники, физики высокотемпературной плазмы и т. д. В историческом аспекте для задач газовой динамики наряду с определением макроскопических параметров течения характерным является переход ко все более детальному учету микрохарактеристик потока на молекулярном, атомном и даже ядерном уровнях. Так, для решения задач обтекания при сравнительно небольших температурах достаточно информации о распределении макроскопических величин плотности р, давления р, скорости V и т. д. в поле течения, так что описание всех явлений может быть получено с помош,ью обычных уравнений Навье —Стокса. При переходе к более высоким температурам, например в задачах расчета структуры ударных волн, теплопередачи к поверхностям обтекаемых тел, течений в соплах двигателей и аэродинамических установках и т. д., необходимо учитывать явления, связанные с конечностью скоростей протекания физико-химических процессов возбуждение колебательных степеней свободы молекул, диссоциацию, ионизацию и т. д. Это, в свою очередь, требует детальной информации о микроструктуре течения вероятностях и сечениях элементарных процессов, кинетике физико-химических реакций и т. д. Относящийся сюда класс релаксационных явлений, характеризуемый химической и температурной неравновесностью, исследован в настоящее время достаточно подробно [39]. [c.122]

Состояние равновесия в сорбционной системе является предельным случаем. Как правило, процессы сорбции протекают в неравновесных условиях. Неравновесность в системе приводит к перераспределению вещества в пространстве и времени. Кинетика сорбцип онпсывает массоперенос в фазах и между фазами, а также факторы, влияющие на него. Основные составляющие массо-переноса — это конвекция и диффузия. Кроме того, в ряде случаев необходим учет конечных скоростей химических реакций, а также электростатического взаимодействия сорбируемых частиц и сорбента, которые могут нести электрический заряд, например в случае ионного обмена или при фильтровании суспензий. Особенностью конвективного массопереноса является сложная гидродинамическая структура потока. Поскольку задача течения вязкой жидкости в пористом слое глобулярной структуры не решена, основным инструментом математического описания кинетики сорбции будет феноменологический подход. Исследованиям в области кинетики сорбции посвящены, например, монографии [2, 4, 5]. [c.5]

Распределение температуры, рассчитанное для условий изэнтропи-ческого расширения с учетом кинетики химических реакций, показало незначительное расхождение в пределах 10—15% в области 5< 40. Полученные результаты расчетов концентраций компонентов продуктов сгорания хорошо согласуются с результатами расчетов А. Вестенберга и С. Фэвина [1], проведенных для данного топлива и одного частичного случаях характерного размера /о" 4 см (рис. 1). В результате расчетов показано, что для всех реально существующих течений с секундным расходом от 10 до 10 г сек при начальных условиях ро=10—100 атм существуют три области течения с равновесными, неравновесно изменяющимися и постоянными замороженными концентрациями компонентов. Области квазиравновесного распределения состава концентраций малы (5< 2- 3) для всех рассмотренных случаев расширения и для всех исследуемых компонентов. Размеры кинетических областей (с неравновесно изменяющимися концентрациями) существенно различны для различных компонентов. Распределение концентраций радикалов (ОН, Н, О) характеризуется значительной областью течения, в которой распределение концентраций лежит между равновесными и замороженными значениями. Концентрации компонентов Нг, СОг, СО, НгО крайне быстро замораживаются при небольших расширениях сопла 5< 3 (рис. 1). [c.306]

Релаксационный процесс может оказывать существенное влияние на параметры течения, если время релаксации сравнимо с характерным газодинамическим временем, а изменение энергии, связанное с ЭТИЛ1 релаксационным процессом, составляет значительную часть от общего изменения энергии. При течении в сопле высоко-темиературно смеси с темнературой торможения < 4500 К наиболее существенным является неравновесное протекание химических реакции, вклад которых в общую энергию смеси соизмерим с вкладом колебательных степеней свободы, а времена релаксации для них, как правило, на один-два порядка больше времен релаксации для колебательных степеней свободы молекул. Это видно [c.257]

Неравновесное иротекаине химических реакций приводит к уменьшению импульса сопла по сравнению с равновесным течением. [c.269]

Разницу имиульса в равновесном и перавиовесном течениях, отнесенную к импульсу в равновесном течеиии, называют коэффициентом потерь удельного импульса, обусловленным неравновесным протеканием химических реакций, и обозначают н- [c.269]

В трансзвуковой области имеет место некоторое повышение температуры иа линиях тока с малыми радиусами кривизны. Повышение температуры за угловой точкой сопла отмечалось и в работах [81, 144]. Оно связано с характером протекания неравиовесных процессов II не имеет места в равновесном и замороженном течениях. Действительно, большой градиент давления в трансзвуковой области вызывает резкое замораживание химических реакций, которые затем начинают интенсивно осуществляться при последующем переходе в область с меньшим градиентом давленпя, что приводит к выделению тепла и повышению температуры. Другая особенность в распределении температуры имеет место вблизи выходного сечения сопла, где при малых градиентах давления течение стремится к локальному равновесному состоянию, что приводит к повышению неравновесной температуры на выходе из сопла и изменению концентраций в сторону пз равновесных значений. [c.274]