Transfert d'énergie rovibrational interne et dissociation du système N₂ (¹ g^+) - N (⁴Sᵤ) N2 (1Σg+) −N (4Su) dans des flux hypersoniques

Un modèle de collision rovibrational est développé pour étudier le transfert d'énergie et la dissociation des molécules N(2)((1)Σ(g)(+)) interagissant avec des atomes N((4)S(u)) dans un réacteur chimique isochorique et isotherme idéal. Le système examiné est un mélange de azote moléculaire et d'une petite quantité d'azote atomique. Ce mélange, initialement à température ambiante, est chauffé de plusieurs milliers de degrés Kelvin, entraînant le système vers une condition de non-équilibre forte. L'évolution des densités de population de chaque niveau rovibrational individuel est déterminée explicitement par la solution numérique de l'équation maîtresse pour des températures allant de 5000 à 50 000 K. Les coefficients de vitesse de réaction sont tirés d'une base de données ab initio développée au NASA Ames Research Center. Les temps de relaxation macroscopiques, les taux de transfert d'énergie et les coefficients de vitesse de dissociation sont extraits de la solution de l'équation maîtresse. Les temps de relaxation rotationnelle-translational (RT) et vibrational-translational (VT) calculés sont différents à des températures de bain thermique basses (par exemple, RT est environ deux ordres de grandeur plus rapide que VT à T = 5000 K), mais ils convergent vers une valeur limite commune à haute température. Cela est contraire à l'interprétation conventionnelle de la relaxation thermique dans laquelle les échelles de temps de relaxation translationnelle et rotationnelle sont supposées comparables, la relaxation vibratoire étant considérablement plus lente. Ainsi, cette hypothèse est discutable dans des conditions de non-équilibre à haute température. La réaction d'échange joue un rôle très significatif dans la détermination de la dynamique des densités de population. Les taux de transfert d'énergie macroscopiques et les taux de dissociation s'avèrent être plus lents lorsque les processus d'échange sont négligés. Un coefficient de taux de dissociation macroscopique basé sur la distribution quasi-stationnaire, montre un excellent accord avec les données expérimentales d'Appleton et al. J. Chem. Phys. 48, 599-608 (1968). Cependant, à des températures plus élevées, environ 50 % de la dissociation est constatée dans des conditions d'état quasi-stationnaire. Cela suggère la nécessité d'inclure explicitement certains niveaux rovibrational, lors de la résolution d'une équation de taux cinétiques globale.