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国际化学工程杂志
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国际化学工程杂志/2011年/文章

研究文章|开放获取

体积 2011年 |文章ID. 970247 | https://doi.org/10.1155/2011/970247

罗曼·萨瓦哈诺，拉斐尔·索比亚，米歇尔·加夫里，Pénélope莱兰那 “土卫六进入的简化化学动力学模型“，国际化学工程杂志那 卷。2011年那 文章ID.970247那 8. 页面那 2011年。 https://doi.org/10.1155/2011/970247

土卫六进入的简化化学动力学模型

罗马萨瓦尼亚那1 拉斐洛索比亚酒店那1 米歇尔加弗里那1那2 和 PénélopeLeyland.1

1Ecole PolytechniqueFédéraledeLausanne，跨学科空气动力学集团，815个洛桑，瑞士

2德国布劳姆法赫特（DLR）天顶广场7号，德国布伦瑞克，38108

学术编辑器:jerzybałdyga.
收到了 2011年5月04
公认 2011年8月9日
发表 2011年10月18日

摘要

开发了一种减少的泰坦大气层的化学动力学模型。这种具有18种和28个反应的新模型包括更完整的方案的主营性，尊重辐射助焊剂。它已经针对三个关键要素进行了验证：敏感性分析，使用Chemkin中使用冲击管模拟的平衡化学成分，以及计算流体动力学（CFDS）模拟的结果。

1.导言

土星最大的月亮泰坦，富含有机化合物和氮气的厚重，提供了类似的地球方面。因此，许多科学家都有兴趣探索它，并希望暗示生活如何在地球上开始。因此，新的任务可能会遵循卡西尼惠尼斯并试图带来更多信息。在探测探针进入期间对热通量的精确预测对于探头的完整性以及科学仪器保护的质量至关重要。

为了进一步调查这些助熔剂的限制，有效的热保护系统设计和尺寸的义务，CFDS工具不断开发和改进。CFDS代码的关键参数之一是化学动力学模型，因为它描述了反应方案。然而，完全建模的复杂性与设计工具不兼容，设计工具需要快速响应时间仿真，并且这些大气不必要，其中主导物种决定物理学。

动力学模型主要取决于大气的组成。尽管最近卡西尼-惠更斯号任务取得了成功，但泰坦大气层的组成仍存在不确定性。主要成分是N2，CH.4.第一个常用的动力学模型是由Nelson等人提出的[1]然而，第一个模型没有考虑到通过HCN形成CN（因为不包括该物种）。而且，正如许多论文所示[2那3.]， CN是一个强辐射体，在土卫六进入大气层时，辐射热通量占主导地位。此外，所用的反应速率也不是最新的。为此，Gökçen [4.]，由21种(N2，CH.4.，CH.3.，CH.2，ch，c2H2，CN，NH，HCN，N，C，H，Ar， ，CN+N+C+H+，AR+和E.−)和35种反应(这些反应的速率在附录中给出一种）.尽管这一新的模型，但CFDS模拟仍然是时间和记忆消耗（根据网格的几个小时，所实现的物理学）。因此，从Gökçen的模型中除去的每种物种或反应是时间的增加。最近，Leyland等人。[5.]提出了简化模型；然而，离子摩尔分数存在差异。本文详细介绍了进一步的还原机理，包括18个物种和28个反应。通过敏感性分析证明了这一点，并用Cykin（用户界面软件运行反应器模型）和MynCnS（2D Navier-斯托克斯时间显式解算器）对澳大利亚昆士兰大学HyfICS中心进行了验证。

2.简化模型的细节

提出的新模型仅包含18种(N2，CH.4.，CH.3.，CH.2，ch，c2H2， cn, nh, hcn, n, c, h， ，CN+N+C+和E.−）和28个反应（附录B.）.在两个步骤分析之后获得该模型：首先比较使用Chemin的全局平衡组合物（摩尔分数的时间历史），得到第二个CFD结果，将CFD结果与Huygens探针的几何形状进行比较[2那6.]. 为了抑制这些反应，Gökçen在他的论文中提出了建议[4.遵循的是，即去除他模型的反应13,15,16,17和35（附录一种）.灵敏度分析也进行了温度和CN摩尔分数，以证明这一选择。32和33反应的抑制是由于H种的去除+、Ar和Ar+。在附录中一种和B.,参数 对应于Baulch等人所定义的不确定性因素。[7.]这些值适用于Gökçen提供的大多数估计4.]应该被视为不确定性的下限。

3.敏感性分析

温度和物种摩尔分数对动力学方程指数前因子的敏感性系数 计算出来。灵敏度系数显示了一个参数对另一个参数的影响。它可以定义为 在哪里 是温度还是摩尔分数 预指数因子。如果其值接近0，则两个参数之间没有交互。在图中1和2绘制温度的敏感性系数和CN摩尔级分的六个反应：我们想要去除的五个（即，第13,15,15,16,17和35个）和反应（1）这在这里进行比较。它很容易明显，这五个第一反应不会影响CN的摩尔分数和温度。


图1
CN敏感系数。

图2
温度敏感系数。

对H，C，N和E进行敏感性分析−但是这里没有显示，因为它们给出了与上述类似的结果。这些分析仅用于一组初始条件。

4.模拟与CHEMKIN

验证的第一阶段是在附录中给出的Gökçen反应组之间的摩尔分数的演变的比较一种以及附录中给出的缩减值B.。它是使用Chemin的泰坦简化气氛，由95％组成2和5％的ch4.。保留的测试箱是一个冲击管，没有边界层校正，入射冲击速度为6,300 m·s-1，0.1托的压力，以及在休克之前的温度为300k的温度。使用从用CEA 9系数多项式产生的数据获得的7系数曲线（旧NASA形式）计算物种的热力学数据。此外，验证的温度范围为300 k-2,000 k。此外，下游模型方程假设流动是绝热性的，并且运输现象（即粘度，热传导和质量扩散）可忽略不计。

摩尔分数的时间历程如图所示3.那4.那5.,6.. 数字3.和4.显示中立者和数字5.和6.离子。减少的模型几乎与Gökçen的模型完全匹配。


图3.
中立者——戈肯模型。

图4.
中性简化模型。

图5.
离子-Gökçen的模型。

图6.
离子还原模型。

在图中7.，比较CN摩尔分数和 被绘制了。特别注意CN的形成，因为它是泰坦入境期间遇到的辐射热通量的主要辐射源的主要因素[8.]。


图7.
CN摩尔分数的比较和。

5.介绍CFDS代码的测试用例

三个测试用例(TC1，TC.2和tc.3.)，以在cfd模拟中加以验证。它们是在欧空局辐射工作组会议上分发并记录下来的[9.]。它们之间的差异是大气组成和/或化学动力学模型。TC.1在含94.3%氮的气氛中进行2，5.0％的ch4.和Gökçen化学动力学模型的0.7％的AR。确定这些值以保持相同的CH浓度4.如Yelle的最小简介[10]. 事实上，甲烷的初始浓度对CN的形成具有决定性作用，这是模型验证的主要标准。在TC中2，使用相同的反应方案，但它与百叶气氛的最小曲线，即95.0％2和5.0%的CH4.。第三个测试用例，TC3.，使用与TC相同的大气成分2但随着化学动力学模型的降低。

流入条件与惠更斯探测器的峰值加热相对应[2]：5126.3 m·s的速度-1，密度为2.96×10-4，温度为176.6 k（轨迹点：  s).

测试用例是在惠更斯探测器几何形状上执行的[6.]. 它是一个60°半角钝锥，底部直径为2.7 m，机头半径为1.25 M为了对域进行网格划分，在轴向和径向上使用80个节点。

6.CFDs模拟

用于模拟的cfd代码基于澳大利亚昆士兰大学高超音速中心开发的MB_CNS工具。这是一款基于有限体积Navier-Stokes方程的二维瞬态可压缩流动模拟软件。辐射模型化最近已实施[9.]. 对于每种物质的粘度和导热系数的计算，曲线拟合自McBride和Gordon[11使用) 这些系数的值可以在NASA开发的CEA计划中得到。所用的混合规则是威尔基最初公式的变体[12，它们是由戈登和麦克布莱德开发的[13] 在哪里 是物种的摩尔分数 。 和 是相互作用电位，它们再次使用戈登和麦克风的制剂来计算[13] 在实现的所有辐射模型中，选择离散传输方法以执行计算，因为泰坦的数据很容易获得，并且它不会太耗时间。辐射物种是CN（紫色和红色），n2（第一个积极和第二阳性），和c2(天鹅)。选取了辐射模型的参数（一世）  纳米，(2)  纳米，（iii）光谱点=1751，(四)射线数量= 32，（v）非平衡态中的电子态。

光谱点的数量非常少，因为我们使用涂抹旋转带（SRB）方法来确定光谱，而不是逐行模型。使用带有离散传输方法的逐行模型将更加耗时。

模型间一致性好的第一个标准是激波对峙距离。如表所示1，冲击对峙距离在不影响去除Ar, Ar+和h.+，也不是减少的动力学方案。
TC.1 TC.2 TC.3.
9.6±0.3 9.7 ± 0.3 9.6±0.3
表格1
冲击距离距离（cm）。

由于CN是主要的散热器，因此新的简化模型(TC3.）给出与TC相同的CN浓度1。

数据8.和9.表明CN分布非常接近;因此，在两种情况下得到的辐射通量也应该是相似的。图中显示了滞止线之间的温度分布10。对于TC.3.，温度峰值由于去除AR而略高且锐利。在图中11，可以注意到在TC中1，壁面温度较低，这也将导致较低的传导热流。


图8.
1 CN质量分数TC。

图9.
3. CN质量分数TC。

图10.
1 3. TC滞止线间的温度分布和tc.。

图11.
1 3. 用于TC的停滞线之间的DETAIBLED温度曲线和tc.。

在表格中2，总结了总热流的不同组成部分的值。
TC.1 TC.2 TC.3.
导电的 19 32. 32.
辐射 49. 50. 49.
全部的 68. 82. 81.
表2.
热通量比较（W / cm2）.

正如预测的那样，TC的传导热流密度较小1. 然而，热通量的不确定性约为5 W/cm2;因此，它们可以被认为是相同的数量级。还有明显的是，辐射助焊剂的值与文献中的其他结果吻合良好[12]。

7.结论

这种新的减少模型，包括仅18种（n2，CH.4.，CH.3.，CH.2，ch，c2H2， cn, nh, hcn, n, c, h， ，CN+N+C+和E.−)28个反应（而不是35个）与Gökçen开发的动力学反应集非常吻合。主散热器CN的分布与整个模型几乎相同。对于热通量而言，尽管TC中的传导热通量较高，但数量级是相同的3.由于去除了氩，可以降低电子温度。还试图进一步减少这种模式，例如去除C+。然而，这导致带电粒子的摩尔分数巨大差异，特别是用于电子。

附录

A.N的Gökçen化学反应集2ch4.- arm mixtures.

见表3.。
，cc / mol / s K 来源：Uncert。美国东部时间。
解离反应
（1） N2+ M⇆N + N + m 7.00×1021 -1.60 113,200 [14]/
m = n，c，h的增强率 3.00×1022 -1.60 113,200 [14]/ -5.0
M = e的增强率− 3.00×1024 -1.60 113,200 [14]/
（2） CH.4.+ M⇆CH.3.+ h + m 4.70×1047. -8.20 59,200. [7.]/
（3） CH.3.+ M⇆CH.2+ h + m 1.02×1016 0.00 45,600. [7.]/ -3.2.
（4） CH.3.+ M⇆CH + H.2+ M 5.00×1015 0.00 42,800 [15]/ -2.0
（5） CH.2+ M⇆CH+H+M 4.00 × 1015 0.00 41,800 [15]/ -2.0
（6） CH.2+ M⇆C+H2+ M 1.30×1014 0.00 29,700 [15]/ -2.0
（7） CH + M.⇆C + h + m 1.90×1014 0.00 33,700. [15]/ -2.0
（8) C2+ M⇆C + C + m 1.50×1016 0.00 71600年 [16]/ -2.0
(9） H2+ M⇆H + H + m 2.23 × 1014 0.00 48,350 [7.那17]/ -2.0
（10） CN + M.⇆c + n + m 2.53×1014 0.00 71,000 [18那19]/ -2.0
（11） NH+M⇆N + h + m 1.80×1014 0.00 37,600 [20.]/ -
（12） HCN + M⇆CN+H+M 3.57×1026 −2.60 62,845 [21]/ -
激进的反应
（13） CH.3.+ N⇆HCN + H + H. 7.00×1013 0.00 0. [22]/
(14） CH.3.+ H⇆CH.2+ H2 6.03×1013 0.00 7,600 [17]/
(15） CH.2+ N2⇆HCN + NH 4.82×1012 0.00 18,000 [20.]/
（16） CH.2+ N⇆HCN + H 5.00×1013 0.00 0. [22]/
(17） CH.2+ H⇆CH + H.2 6.03×1012 0.00 −900 [20.]/ -10.0
(18） CH + N.2⇆HCN + N 4.40×1012 0.00 11,060 [22]/ -
(19） CH + C.⇆C2+ H 2.00×1014 0.00 0. [15]/
（20） C2+ N2⇆CN + CN. 1.50×1013 0.00 21000年 [23]/ -2.0
（21） CN + H.2⇆HCN + H 2.95×105. 0.00 1,130 [24]/ -
（22） CN + C.⇆C2+ N 5.00×1013 0.00 13000年 [14]/ -
（23） n + h.2⇆NH+H 1.60×1014 0.00 12650年 [25]/ -2.0
（24） C+N2⇆CN + N. 5.24×1013 0.00 22,600 [7.]/ -
（25） C+H2⇆CH + H. 4.00 × 1014 0.00 11,700. [26]/ -2.0
（26） H + N2⇆NH+N 3.00×1012 0．50 71,400 [27]/ -3.2.
（27） H + CH4.⇆CH.3.+ H2 1.32×104. 3．00 4,045 [7.那17]/ -2.0
电离反应
（28） n + n⇆ + e− 4.40×107. １．５０ 67,500. [14]/
(29） C+N⇆CN.++ e− 1.00×1015 １．５０ 164,400 [1]/
（30） n + E.−⇆N++ e−+ e− 2.50×1034. −3.82 168600年 [14那28]/
（31） C+e−⇆C++ e−+ e− 3.70×1031. -3.00. 130720年 [14]/
（32） H + e−⇆H++ e−+ e− 2.20×1030. −2.80 157,800. [14]/
（33） AR + E.−⇆AR.++ e−+ e− 2.50×1034. −3.82 181,700. [1]/
（34） CN.++ N⇆CN + N.+ 9.80×1012 0.00 40700年 [1]/
（35） C++ N2⇆ + C 1.11×1014 −0.11 50,000. [1]/
表3

B还原化学反应装置N2ch4.- arm mixtures.

见表4.。
，cc / mol / s K 来源：Uncert。美国东部时间。
解离反应
（1） N2+ M⇆N + N + m 7.00×1021 -1.60 113,200 [14]/
m = n，c，h的增强率 3.00×1022 -1.60 113,200 [14]/ -5.0
M = e的增强率− 3.00×1024 -1.60 113,200 [14]/
（2） CH.4.+ M⇆CH.3.+ h + m 4.70×1047. -8.20 59,200. [7.]/
（3） CH.3.+ M⇆CH.2+ h + m 1.02×1016 0.00 45,600. [7.]/ -3.2.
（4） CH.3.+ M⇆CH + H.2+ M 5.00×1015 0.00 42,800 [15]/ -2.0
（5） CH.2+ M⇆CH+H+M 4.00 × 1015 0.00 41,800 [15]/ -2.0
（6） CH.2+ M⇆C+H2+ M 1.30×1014 0.00 29,700 [15]/ -2.0
（7） CH + M.⇆C + h + m 1.90×1014 0.00 33,700. [15]/ -2.0
（8) C2+ M⇆C + C + m 1.50×1016 0.00 71600年 [16]/ -2.0
(9） H2+ M⇆H + H + m 2.23 × 1014 0.00 48,350 [7.那17]/ -2.0
（10） CN + M.⇆c + n + m 2.53×1014 0.00 71,000 [18那19]/ -2.0
（11） NH+M⇆N + h + m 1.80×1014 0.00 37,600 [20.]/ -
（12） HCN + M⇆CN+H+M 3.57×1026 −2.60 62,845 [21]/ -2.0
激进的反应
（13） CH.3.+ H⇆CH.2+ H2 6.03×1013 0.00 7,600 [17]/
(14） CH + N.2⇆HCN + N 4.40×1012 0.00 11,060 [22]/ -3.2.
(15） CH + C.⇆C2+ H 2.00×1014 0.00 0. [15]/
（16） C2+ N2⇆CN + CN. 1.50×1013 0.00 21000年 [23]/ -2.0
(17） CN + H.2⇆HCN + H 2.95×105. 0.00 1,130 [24]/ -5.0
(18） CN + C.⇆C2+ N 5.00×1013 0.00 13000年 [14]/ -5.0
(19） n + h.2⇆NH+H 1.60×1014 0.00 12650年 [25]/ -2.0
（20） C+N2⇆CN + N. 5.24×1013 0.00 22,600 [7.]/ -2.0
（21） C+H2⇆CH + H. 4.00 × 1014 0.00 11,700. [26]/ -2.0
（22） H + N2⇆NH+N 3.00×1012 0．50 71,400 [27]/ -3.2.
（23） H + CH4.⇆CH.3.+ H2 1.32×104. 3．00 4,045 [7.那17]/ -2.0
电离反应
（24） n + n⇆ + e− 4.40×107. １．５０ 67,500. [14]/
（25） C+N⇆CN.++ e− 1.00×1015 １．５０ 164,400 [1]/
（26） n + E.−⇆N++ e−+ e− 2.50×1034. −3.82 168600年 [14那28]/
（27） C+e−⇆C++ e−+ e− 3.70×1031. -3.00. 130720年 [14]/
（28） CN.++ N⇆CN + N.+ 9.80×1012 0.00 40700年 [1]/
表4.

承认

这项工作得到了ESA-NPI计划和CCN C21872的部分支持。

工具书类

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