Фізико-хімічні процеси в стислому шарі

В області, де параметри потоку зазнають швидка зміна, наприклад за ударною хвилею або в розширюється частини надзвукового сопла, стан газу може не відповідати рівноважного. Це пов'язано з тим, що для встановлення рівноваги суміші як за складом, так і за розподілом енергії між різними ступенями свободи молекул потрібно кінцевий час. Такий процес буде називатися термодинамічно нерівноважних. Характерне час встановлення термохімічного рівноваги – так званий час релаксації – різне для різних процесів. Так, для досягнення рівноважного значення енергії поступального руху молекул достатньо в середньому п'яти зіткнень часток повітря, обертального – від 10 до 100 зіткнень, а для досягнення рівноважного розподілу енергії коливальних рухів атомів всередині молекул – близько 105 зіткнень. Хоча повітря при стандартних значеннях температури і тиску має молекулярну щільність у 1019 молекул в см3, середня довжина вільного пробігу набагато перевершує відстань між сусідніми молекулами, в результаті зона релаксації, рівна добутку швидкості течії газу на час релаксації, може виявитися досить протяжної. Проблема конвективного теплообміну і теплового захисту пов'язана, як правило, з натікання на тіло потоку газу високої щільності. Тому при аналізі цих завдань користуються рівняннями суцільного середовища. З усіх проявів нерівноважності виділяють насамперед хімічну неравновесность, пов'язану з кінцевим часом встановлення складу газової суміші.

Хімічний склад газового потоку за ударною хвилею або в прикордонному шарі визначається співвідношенням швидкостей гідродинамічної або дифузійного та хімічного процесів. У тому випадку, коли швидкість хімічних реакцій в потоці мала в порівнянні зі швидкістю гідродинамічного або дифузійного переносу, протягом вважається за морозивом, тобто склад газу приймається постійним. Це, однак, ж виключає можливості протікання хімічних реакцій на поверхні тіла. Нарешті, рівняння збереження часткою хімічних елементів вказує, що за будь-яких хімічних реакціях даний елемент (наприклад, кисень, азот, кремній, вуглець і т. д.) не може не виникати, ні зникати, тобто масова частка хімічного елемента. Розглянемо енергетичну сторону проблеми. У силу того, що при високих температурах склад повітря істотно змінюється, при розрахунку теплообміну на поверхні тіла доводиться враховувати дифузію компонент по нормалі до неї і перенесення хімічної енергії, обумовлений рекомбінацією. Якщо є деякий елементарний об'єм газу, що знаходиться в адіабатичних умовах, то зміна його ентальпії повинно відповідати зміні кінетичної енергії потоку.

11 липня 2012

Джерело: www.stroysovet.ru