Многомасштабное моделирование гетерогенных процессов на кремнесодержащих теплозащитных покрытиях
НИИ механики МГУ имени М.В. Ломоносова
За фронтом сильной ударной волны, образующейся при движении летательного аппарата с гиперзвуковой скоростью в плотных слоях атмосферы, поступательная температура газа может достигать десятков тысяч градусов, и физико-химические процессы происходят в термически-неравновесных условиях. В результате этих процессов молекулы преимущественно распадаются на атомы, которые и взаимодействуют с поверхностью теплозащитных покрытий. Моделирование химических реакций, протекающих в газовой фазе, с учетом неравновесных эффектов дает изменение теплового потока по сравнению с равновесным приближением на 25-30%. В то время как при использовании различных моделей гетерогенных химических реакций тепловой поток может изменяться в несколько раз. В этой связи особенно важно правильно описывать гетерогенные процессы - адсорбция, десорбция, ударная и ассоциативная рекомбинация. Материалы на основе кремния активно используются при проектировании теплозащитных покрытий космических и перспективных гиперзвуковых летательных аппаратов. В работе исследовались гетерогенные реакции на поверхности карбида кремния SiC и β-кристобалита SiO2 методами квантовой механики и молекулярной динамики. С использованием программы GAUSSIAN проведены расчеты поверхностей потенциальной энергии (ППЭ), отвечающих взаимодействию атомов O и N с кластерами SiO2 и SiC, моделирующими соответствующие поверхности кристаллов. Уравнение Шредингера решалось метод теории функционала электронной плотности DFT с расширенным гибридным трехпараметрическим обменным функционалом Беке, дополненный электронной корреляцией Ли, Янга и Пара (Х3LYP). В качестве базисных функций использовался корреляционно-согласованный поляризованный валентный трехэкспоненциальный базисный набор cc-pVTZ. Данный подход использовался ранее при исследовании процессов в газовой фазе [1,2]. На основе полученных ППЭ проведено молекулярно-динамическое моделирование столкновения атомов N и O с поверхностью SiO2 и SiC с учетом внутренней релаксации верхних слоев кристаллической решетки. Определены константы скорости процессов адсорбции/десорбции и ударной рекомбинации.
Работа проведена в соответствии с планом научных исследований НИИ механики МГУ при частичной финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-01-00741A. Работа выполнена с использованием оборудования Центра коллективного пользования сверхвысокопроизводительными вычислительными ресурсами МГУ имени М.В. Ломоносова и вычислительных ресурсов ОВК НИЦ «Курчатовский институт», http://computing.nrcki.ru/.
1. Kroupnov A.A., Pogosbekian M.Ju. Detailed mechanism of exchange reactions CO+N, CN+O and NO+C on the 4A″potential energy surface at high temperature // Chemical Physics. 2019. Т. 523. С. 172–178.
2. Крупнов А. А., Погосбекян М. Ю. Анализ экспериментальных данных взаимодействия СО и N2O с образованием СО2 на основе результатов DFT-расчетов // Кинетика и катализ. 2019. Т. 60. № 2. С. 181–192.
