Неравновесное течение - течение гомогенной или гетерогенной смеси, в к-рой происходят неравновесные физ--хим. процессы.
К числу наиб. часто встречающихся неравновесных процессов относятся неравновесное
возбуждение внутр. степеней свободы молекул, неравновесное протекание реакций
диссоциации, рекомбинации и ионизации, неравновесная конденсация или испарение,
неравновесное движение и теплообмен жидких или твёрдых частиц в газе и т. д.
Н. т. имеет место, когда время физ--хим.
процесса сравнимо с характерным газодинамич. временем.
Н. т. наблюдается при обтекании тел, течении
в струях и соплах, особенно при околозвуковых и сверхзвуковых скоростях. Напр.,
хим. реакции в соплах реактивных двигателей протекают неравновесно, поскольку
характерное время реакций сравнимо с временем прохождения объёма газа через
сопло.
Предельными случаями Н. т. являются равновесное
и замороженное. В равновесном течении характерное время физ--хим. процесса много
меньше характерного газодинамич. времени, т. е. принимается, что физ--хим. процессы
происходят мгновенно. В замороженном течении, наоборот, время протекания физ--хим.
процесса много больше характерного газодинамич. времени, т. е. за характерное
время перемещения объёма среды химической реакции или физического превращения
не успевают совершиться.
При равновесном течении термодинамич. и газодинамич.
параметры определяются с привлечением соотношений термодинамики равновесных
процессов. Так, концентрации реагирующих компонент в таких течениях определяются
из закона действующих масс, энергия колебат. степеней свободы вычисляется по
ф-ле Эйнштейна, парциальные давления конденсирующихся компонент - по Клапейрона
- Клаузиуса уравнению, а скорости и темп-pa частиц, присутствующих в газе,
принимаются равными скорости и температуре газа.
В замороженном течении сохраняются неизменными
молярные доли хим. компонент, энергия колебат. степеней свободы, скорости и
температуры частиц, а процессы конденсации и кристаллизации не происходят.
Н. т. является неизоэнтропическим, в отличие
от изо-энтропических равновесного и замороженного течений. Отмеченные выше неравновесные
процессы проявляются при высокоскоростных и высокотемпературных течениях газа
в соплах реактивных двигателей и аэродина-мич. труб, соплах газодинамич. и хим.
лазеров, соплах МГД-генераторов, в двигателях внутр. сгорания. Газодинамич.
и термодинамич. параметры при Н. т., как правило, являются промежуточными между
параметрами равновесного и замороженного течения. Характерный пример Н. т. -
течение в соплах при неравновесном протекании хим. реакций. В этом случае из-за
того, что хим. энергия в Н. т. выделяется не полностью и частично не передаётся
в активные степени свободы и энергию поступат. движения молекул, темп-pa, скорость,
давление и поток импульса в Н. т. меньше, чем в равновесном (но больше, чем
в замороженном). Наиб. отличие наблюдается в температуре и давлении (иногда на десятки
процентов), значительно меньше в скорости и потоке импульса. Плотность смеси
слабо зависит от характера протекания процесса. Аналогичное поведение параметров
наблюдается и при протекании др. неравновесных процессов в соплах.
Для матем. описания Н. т. используется система диф-ференц. ур-ний газовой динамики, к-рая дополняется т. н. релаксационными (кинетическими) ур-ниями, описывающими исследуемый неравновесный процесс. Так, для описания течений с неравновесными хим. реакциями используются ур-ния хим. кинетики с соответствующей системой реакций и констант скоростей реакций; для течений с колебат. релаксацией - ур-ния для нахождения энергии разл. возбуждённых колебат. мод с соответствующими временами релаксации; для течений с неравновесной конденсацией - ур-ния нуклеации и ур-ния роста зародышей (ф-лы Максвелла или Кнудсе-на); для двухфазных течений с жидкими или твёрдыми частицами - ур-ния движения и теплообмена частиц с соответствующими коэф. сопротивления и теплообмена.
У. Г. Пирумов
|
|
 |
