О возможности образования озона в струе высотного самолета

__________УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ

Том XXVII 1996

№3-4

УДК 551.510.42

О ВОЗМОЖНОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ ОЗОНА В СТРУЕ ВЫСОТНОГО САМОЛЕТА

А. В. Кашеваров, А. Л. Стасенко

На базе развитой ранее физико-математической модели осесимметричной спутной струи с химическими реакциями между малыми газовыми составляющими многокомпонентной смеси проведено параметрическое численное исследование влияния начального (на срезе сопла) состава выбрасываемой двигателем смеси на интегральные (по сечению струи) потоки компонентов (озона, гидроксила, окислов азота), представляющих экологический интерес. Показано, в частности, что в определенной области значений начальных мольных долей компонентов смеси струя является генератором озона. •

В последние десятилетия мировая общественность проявляет большой интерес к проблеме сохранения озонного слоя Земли [1, 2]. В качестве одного из возможных факторов антропогенного воздействия на природу исследуется возможность воздействия выбросов двигателей высотной авиации на химические процессы в атмосфере [3, 4]. Необходимым шагом на этом пути является изучение физико-химических процессов, происходящих в отдельной осесимметричной струе. В работе [5] проведены численные исследования пространственной эволюции концентраций различных веществ в спутной турбулентной многокомпонентной струе с учетом возможной конденсации водяного пара, коагуляционного роста капель, газофазных и гетерогенных химических реакций.

В настоящей статье на основе физико-химической модели и численного алгоритма, разработанных в [5], проведены параметрические исследования влияния состава смеси на срезе сопла на изменение вдоль струи интегральных (по сечению) потоков различных газовых компонентов, представляющих экологический интерес. Опробованный интервал начальных значений концентраций веществ охватывает несколько порядков. В этот интервал попадают как значения, характерные для обычных двигателей на углеводородном топливе [3—5], так и для случая использования водорода в качестве горючего [6].

Напомним основные предположения используемой модели струи. Уравнения гаэотермодинамики и цассообмена спутного осесимметричного течения в приближении пограничного слоя записаны в переменных Мизеса: (струя расчетная). Изменение концентраций компонентов происходит как за счет турбулентной диффузии, так и химических реакций. Турбулентные числа Прандтля, Льюиса и Шмидта равны единице. Для турбулентной вязкости принята одна из известных интерполяционных формул. Поскольку мольные доли экологически интересных веществ как в струе, так и в атмосфере малы, обратным влиянием тепла химических реакций на термодинамику и механику струи можно пренебречь. Учтены 27 химических реакций между 14 веществами. Этот набор реакций, константы их скоростей, а также значения концентраций всех компонентов на срезе сопла и в атмосфере для базового варианта приведены в [4, 5], и здесь не имеет смысла их дублировать. Ниже приведены данные лишь для тех веществ, которые обсуждаются в настоящей статье.

В этом базовом расчетном варианте использован следующий набор параметров Полета: плотность и температура атмосферы на высоте полета рт = 0,1 кг/м3, Тп =216,7 К, скорость полета = 660 м/с; соответствующие значения на срезе сопла р„ =р„Тт/Та; Та = 561 К, иа = 1320 м/с.

Результаты проведенных параметрических расчетов представлены в виде безразмерных функций

00

Мк(х) = |ри(ск - с1)2пге1г/ракиапг*,

0

описывающих изменение (вдоль струи) за' счет химических реакций интегрального по сечению безразмерного потока ^-компонента. Здесь и, р — локальные значения осевой компоненты скорости и суммарная плотность струи; ск - рк/р — массовая концентрация компоненты,

с° — ее значение при отсутствии химических реакций, когда изменение концентрации происходит только за счет турбулентной диффузии при смешении струи со спутным потоком. Индекс а соответствует значениям на срезе сопла. Ниже осевая координата х отнесена к радиусу сопла га. '

Поскольку изменение озона за счет химических реакций в струе представляется особенно интересным с экологической точки зрения, для озона введена размерная функция (моль/с):

Д'Роз (*) = | Ри(со3 - со3 )2я«/г/М0з, о

где АГ0з — молярная масса. Заметим, что, поскольку озон отсутствует на срезе сопла, его концентрация в струе связана только с диффузией извне.

Величины А1к и ДЧ'оз в принципе зависят (как от параметров) от начальных значений мольных долей у всех компонентов в выхлопе двигателя. В настоящей статье проведены численные исследования при варьировании значений чу" лишь для некоторых веществ, непосредственно реагирующих с озоном. Здесь у = —

средняя'молярная масса смеси на срезе сопла. :

Из принятой кинетической схемы [4, 5] следует, что изменение концентрации озона, диффундирующего в струю из внешней атмосферы, может происходить в результате непосредственного взаимодействия со следующими компонентами: Н, ОН, N0, О, N02 (в химических реакциях 03 + Н -» ОН + 02 , 03 + ОН -* Н02 + 02, Оэ + N0 -> ->КО2+02, 03 + О -> 202, 03 + Р<Ю2 -» Ж)3 +02). Эти компоненты выписаны здесь в порядке убывания констант скоростей их реакции с озоном (при температуре атмосферы Тх = 216,7 К эти константы относятся как -107:2,7г105:2,4-10?:1). Базовые значения концент-

раций перечисленных веществ на срезе сопла у“ [4, 5] выписаны на

соответствующих рисунках и маркированы цифрой 1. -

Результаты расчетов (рис. 1—4) показывают, что на исследованных удалениях от самолета х 300 некоторые кривые еще не выходят

«на полку» (например, Д/моМ

Д 1мо Г/\ Для базового набора параметров —

кривая 1, рис. 1, а).

6)

-0,5

Рис. 1. Влияние начальной (на срезе сопла) мольной доли моноксида азота на изменение безразмерных интегральных (по сечению струи) потоков диоксида и моноксида вследствие химических реакций:

1 — = 4,3 • 10_5 (базовый вариант);

2 - 4,3 -КГ4; 3 - 4,3 -ИГ3,5; 4 -

-0,25

ЫО^

Рис. 2. Влияние начальной мольной доли диоксида азота на интегральные потоки в струе диоксида и моноксида:

1 = 4,8 * 10"* (базовый вари-

N0.

2

анг); 2- 4,8 • 1<Г5; 3- 4,8 • ИГ4; 4-

4,3 • 10"

4,8 • 10

Рис. 3. Влияние начальной мольной доли гидроксила на интегральные потоки в струе диоксида и моноксида азота:

'он

10’ (базовый вариант); 2 —

10-4; 3 — 10~3; 4- 10'2

Рис. 4. Влияние начальной мольной доли атомарного водорода на интегральные потоки в струе диоксида и моноксида азота:

1 — = 10-7 (базовый вариант); 2 —

XI

10-*; 3- 10'5; 4 - 10“

; 5 — 10'

Однако соответствующие кривые для озона показывают, что изменения потока озона за счет химических реакций на этих удалениях почти не происходит, поэтому расчетные данные для ДЧ/о3, представленные на рис. 5, суммируют влияние вариаций начальной мольной концентрации всех рассмотренных ./-компонентов в одном сечении х = 350. На этом рисунке светлые кружки соответствуют базовому варианту.

Видно, рис. 1, что при увеличении Уко на порядок (по сравнению с базовым значением), коща количество N0 на срезе сопла превышает равновесное, как и следовало ожидать, происходит убыль N0 в струе, сопровождающаяся ростом N02, за счет химических реакций.

При этом выработка озона лишь слегка уменьшается (рис. 5). Это означает, что переход N0 в Ж>2 происходит в основном за счет реакции N0 + Н02 -> N02 + При

увеличении значения происхо-

,

дит изменение знака

Д»К

о3

рис. 5. •

Увеличение у^о2 на порядки

(по сравнению с базовым значением 4,8 • 10”*) приводит к возрастанию количества N0 в струе за счет реакции N02 + О N0 + 02,

Рис. 5. Влияние начальных значений (на срезе сопла) мольных долей некоторых компонентов (у) на интегральный поток озона через сечение х = 350

рис. 2, б. Производство озона струей сначала резко падает, а при дальнейшем росте мольной доли N02 на срезе сопла оно становится близким к нулю (рис. 5).

Увеличение начальной мольной доли гидроксила ОН приводит к росту количества N02 и убыли N0 (см. рис. 3). На выработку озона увеличение мольной доли гидроксила удН сначала почти не влияет, так как он достаточно быстро переходит в другие вещества, нейтральные ПО отношению К озону. Лишь при значительном увеличении У дН до 10'2 наблюдается существенный рост Д'Роз (рис. 5, штриховая кривая) за счет реакций ОН + ОН -> Н20 + О и 0 + 02+АГ-»03+.М (М — любая молекула). Качественно близкую картину дает и рост у^,

приводящий прежде всего к производству гидроксила при помощи реакции Н + Н02 -* ОН + ОН; образовавшийся щдроксил далее действует по описанному выше каналу, увеличивая содержание озона.

Проведенные исследования показывают, что наиболее активным разрушителем озона в струе является моноксид азота, несмотря на то что скорость выписанной выше реакции с его непосредственным участием Оэ + N0 -> N02 + 02 не является самой высокой. Диоксид азота разрушает озон с наименьшей скоростью, однако, реагируя с атомарным кислородом, он косвенно препятствует образованию озона. Между тем атомарный водород и гидроксил, реакции которых с самим озоном характеризуются высокими скоростями^ косвенно способствуют образованию озона за счет того, что с другими веществами они реагируют еще активнее.

Найденные приращения суммарного потока озона за счёт химических реакций в струе целесообразно сравнить с его потоком через двигатель. Поток массы атмосферного воздуха, захватываемого двигателем, равен = пГдраиа , где Gf — расход топлива, составляющий величину порядка процента от первого слагаемого (которой можно пренебречь). Эта масса содержит долю озона, равную

^-У^Мо,/м, где М — молярная масса смеси газов атмосферы. Следовательно, молярный поток озона на входе в двигатель равен

Iм-

Для набора параметров, принятых в настоящей статье, получим

* 14 • КГ3 моль/с. Это значение отмечено на рис. 5 горизонтальной

стрелкой (обратим внимание, что для удобства представления вертикальные масштабы на левой и правой осях различны). Считая, что весь этот озон исчезает в камере сгорания, а образуется его пренебрежимо мало, можно принять полученное численное значение за верхнюю оценку скорости уничтожения озона двигателем. В частности, в [4] вообще не рассмотрены химические процессы в двигателе, в которых участвовал бы озон; в [7] при моделировании условий работы двигате-

ля на водородном топливе с учетом таких процессов получено равновесное значение Уо3 ~ Ю-10-

Из рис. 5 видно, что для базового набора параметров (светлые кружки) происходит частичное восстановление озона струей: его поток за счет химических реакций увеличивается на 6-1(Г3 моль/с. Однако, увеличив мольную долю гидроксила до YqH * 2 -1(Г3, можно было бы

полностью скомпенсировать его потери. Конечно, это привело бы к изменению выработки струей и других веществ (например, согласно рис. 3, увеличение YqH приведет к уменьшению потока NO и росту потока NO2).

Таким образом, полученные результаты показывают, что сами струи самолетных двигателей могут являться своеобразными химическими реакторами, способными вырабатывать озон в случае обеспечения определенного состава выбрасываемой многокомпонентной смеси. Разумеется, для окончательного вывода об экологической приемлемости того или иного режима работы двигателей необходим анализ дальнейшей эволюции всех компонентов в глобальной динамике атмосферы на больших временах.

ЛИТЕРАТУРА

1. Р о у н Ш. Озоновый кризис. Пятнадцатилетняя эволюция неожиданной глобальной опасности. — М.: Мир. — 1993.

2. П е р о в С. П. Озоновый слой Земли: положение серьезнее, чем предполагали//Земля и Вселенная. — 1990, № 1.

3. Стасенко А. Л. К теории хемосорбции окислов азота каплями воды в струе стратосферного самолета//Препринты ЦАГИ. — 1991, № 51.

4. Miake-Lye R. С., Martinez-Sanchez М., Brown R. С.,

К о 1 b С. Е. Plume and wake dynamics, mixing and chemistry behind an high speed transport aircraft//J. Aircraft. — 1993. Vol. 30, N 3.

5: Кашеваров А. В., Стасенко А. Л. Химическая кинетика экологически опасных компонентов конденсирующейся струи высотного са-модета//Ученые записки ЦАГИ. — 1995. Т. XXVI, № 3—4.

6. Егоров Б. В., Комаров В. Н., Маркачев Ю. Е. ГПВРД и проблемы экологии етратосферы//Препринты ЦАГИ. — 1992, № 57.

7. Даутов Н. Г., Старик А. М. К вопросу о выборе кинетической схемы при описании детонации в смеси Н2 + воздух за ударными волнами/Деплофизика высоких температур. — 1993. Т. 31, № 2.

Рукопись поступила 13/JV1995 г.