Рассеяние молекул газа на поверхности твердого тела

Аннотация

Методом молекулярно-динамического моделирования рассчитывались траектории отражения молекул водорода от поверхности графита при учете ее структуры и теплового движения атомов углерода. Получено распределение скоростей после отражения в зависимости от направления и величины скорости падающей молекулы и температуры поверхности. В случае теплопередачи между симметричными поверхностями в свободномолекулярном режиме рассчитаны коэффициенты аккомодации энергии для водорода на графите в зависимости от температуры газа и стенки. Полученные результаты согласуются с экспериментальными данными.

Проведено сравнение результатов молекулярно-динамического моделирования рассеяния молекул водорода на поверхности графита с моделями рассеяния Максвелла, Эпштейна и Черчиньяни-Лэмпис. Проанализированы достоинства и недостатки перечисленных моделей при различных условиях. Предложено новое ядро рассеяния, являющееся комбинацией моделей Эпштейна и Черчиньяни-Лэмпис, которое лучше согласуется с результатами траекторных расчетов.

Материалы и результаты

Методом молекулярно-динамического моделирования с учетом теплового движения атомов поверхности рассчитаны скорости молекул после отражения в зависимости от температуры стенки, направления и энергии падения. Для задач, в которых отличием функции распределения для падающего потока от максвелловской можно пренебречь и средние скорости течения малы по сравнению с тепловыми скоростями молекул, получены зависимости коэффициентов аккомодации энергии и касательного импульса от температур газа и поверхности. Установлено, что температура поверхности оказывает существенное влияния на процессы аккомодации при температурах газа 20–400К. При высоких температурах газа (>900К) зависимость от температуры стенки ослабевает. При этом коэффициенты аккомодации принимают значения 0.1–0.2 в широком диапазоне температур поверхности 90–1100К, что подтверждается экспериментальными и теоретическими результатами других авторов. Установлено, что высокие значения коэффициентов аккомодации при низких температурах объясняются увеличением времени пребывания молекул водорода в физически адсорбированном состоянии.

В результате анализа функций распределения скоростей и коэффициентов аккомодации, полученных с помощью молекулярно-динамических расчетов траекторий отражения молекул водорода на графите, показано, что коэффициенты аккомодации энергии и импульса существенно зависят от величины и направления начальной скорости падающей молекулы. При низких температурах поверхности часть молекул водорода физически адсорбируется на графите, некоторое время находится вблизи поверхности и впоследствии десорбируется. Распределение скоростей таких молекул после отражения можно считать равновесным максвелловским, соответствующим температуре стенки. Другая часть молекул рассеивается без адсорбции с некоторыми ненулевыми коэффициентами аккомодации. Из трех рассмотренных аналитических моделей рассеяния (Максвелла, Эпштейна и Черчиньяни-Лэмпис) для описания результатов траекторных расчетов наиболее пригодна модель Эпштейна, которая, в отличие от остальных, допускает зависимость коэффициентов аккомодации он начальной скорости падающей молекулы. При этом сами распределения скоростей отраженных молекул удовлетворительно описать с ее помощью не удается. Основываясь на полученных результатах, предложена новая модель ядра рассеяния, являющаяся комбинацией моделей Эпштейна и Черчиньяни-Лэмпис. Преимуществом такого ядра перед использованием численных аппроксимаций результатов траекторных расчетов является возможность аналитического интегрирования и нахождения потоков термодинамических величин в явном виде. Показано, что построенное ядро качественно и количественно согласуется с результатами траекторных расчетов.

Предложенная модель ядра рассеяния, являющаяся комбинацией моделей Эпштейна и Черчиньяни-Лэмпис

Функция распределения нормальной (а) и касательной (б) компоненты скорости: 1–4 – траекторные расчеты; 5–8 – предложенное ядро рассеяния. Tw=87K, 283К

Коэффициент аккомодации касательного импульса в зависимости от касательной компоненты начальной скорости: 1–4 – траекторные расчеты; 5–8 – предложенное ядро; Tw=87К (1, 2, 5, 6) и Tw=283К (3, 4, 7, 8)

Публикации

1. Ковалев В.Л., Якунчиков А.Н. Коэффициенты аккомодации для молекулярного водорода на поверхности графита // Изв. РАН. МЖГ. 2010. № 6. С. 166-173.
2. V.Kovalev, A. Yankunchikov, F. Li, Tangential momentum and thermal accommodation coefficients for hydrogen molecules on graphite surface // Acta Astronautica 69 (2011), pp. 744-746
3. Ковалев В.Л., Якунчиков А.Н. Анализ моделей рассеяния на основе результатов траекторных расчетов // Изв. РАН. МЖГ. 2012. № 5. С. 80-87.
4. A.N. Yakunchikov, V.L. Kovalev, and S.V. Utyuzhnikov. Analysis of gas-surface scattering models based on computational molecular dynamics. Chemical Physics Letters, 554(3):225–230, 2012.