Некоторые задачи численного моделирования неравновесных ионизационно-излучательных процессов в высокоскоростных течениях газов

• Автор: Шиленков, Сергей Витальевич
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 146 с. : ил.

Обзор литературы
ГЛАВА 1. Газодинамические и кинетические модели неравновесного течения газа. Постановка задачи
1.1 Колебательная релаксация
1.2. Колебательно - диссоциационное взаимодействие
1.3 Процессы диссоциации и обменные реакции
1.4 Реакции ионизации и обмена зарядом
1.5 Возбуждение электронных состояний молекул
1.6 Модель излучения
1.7 Расчет структуры ударных волн
1.8 Математическая постановка для полных уравнений Навье-Стокса с выделением ударной волны и физико-химическими превращениями
Заключение по главе I
ГЛАВА 2. Численный анализ и верификационные исследования элементов кинетических моделей
Раздел 1. Верификационные исследования кинетических моделей для условий входа в атмосферу Земли. 2.1 Влияние выбора модели колебательной релаксации
2.2 Влияние выбора модели колебательно-диссоциационного взаимодействия на неравновесное излучение воздуха в ударном слое
2.3 Верификация моделей ионизационных процессов на основе сравнения с летным экспериментом 13АМ по измерению электронных концентраций

Раздел 2. Верификационные исследования кинетических моделей для условий входа в атмосферу Марса. 2.4 Верификация на основе экспериментов в электроразрядной ударной трубе
2.5 Верификация кинетики ионизации
2.6 Верификация кинетики излучения. Численные модели кинетики излучения в молекулярных спектрах
Заключение к главе II
ГЛАВА 3 Численное моделирование ионизационно излучательных процессов в условиях гиперзвукового обтекания тел
Раздел 1. Численное моделирование неравновесных течений для условий входа в атмосферу Земли. 3.1 Численное моделирование концентрации электронов около затупленных конусов
3.2 Численное моделирование неравновесного излучения при обтекании затупленного конуса
Раздел 2. Численное моделирование неравновесных течений для условий входа в атмосферу Марса. 3.3 Определение характеристик течения в релаксационной зоне за фронтом ударной волны
3.4 Численное моделирование термофизических параметров обтекания конических аппаратов в условиях входа в атмосферу Марса
Заключение к главе III
Выводы по диссертации
Список литературы
Приложение А
Приложение В

Важной задачей, возникающей при проектировании гиперзвуковых летательных аппаратов (ГЛА), осуществляющих полет в атмосфере Земли и космических аппаратов (КА), в полетных сценариях которых планируется вход в атмосферу планет Солнечной системы (например, Марса), является развитие эффективных способов определения аэродинамических, тепловых и агрофизических характеристик их обтекания. К агрофизическим характеристикам можно отнести излучательные характеристики, необходимые для определения лучистых тепловых потоков или решения задач оптической заметности и ионизационные характеристики течения в ударном слое (УС) на плазменном участке входа в атмосферу, необходимые для решения задач радиосвязи с ГЛА.
При скорости входа ЛА в атмосферу свыше 3 км/с температура за головной ударной волной столь высока, что в ударном слое происходят многочисленные физико-химические процессы, протекающие с определенными скоростями и характеризующиеся различными временами релаксации. В зависимости от соотношения времен релаксации и характерного газодинамического времени течения газа, физико-химические процессы в ударном слое около ЛА могут быть близкими к равновесным, неравновесными или «замороженными». Современные ЛА, входящие в атмосферу планет, обладают, как правило, аэродинамическим качеством и при использовании современной технологии аэродинамическое торможение аппарата происходит на относительно больших высотах, на участке планирующего полета, с целью снижения максимальной величины аэродинамических и тепловых нагрузок. При этом значительная часть траектории полета характеризуется неравновесным характером протекания физико-химических процессов в ударном слое около ЛА. Известно, что неравновесное высокоскоростное обтекание ЛА в современных аэродинамических трубах полностью не моделируется. Экспериментальные исследования в этом случае ограничиваются частным, приближенным

=(7/2)(Я/ Мк)Т+е^к+Іі°к
(к°- энтальпия образования компонента смеси газов).
В векторах потоков уравнений Навье-Стокса т - тензор напряжений с компонентами:
2 . он ди д*
Ах =/^(-*^-2—), т =г =-//(—+ —), г = д(-<ЬЛ/-2—);
3 ак су ас Ъ ду
С[ - вектор теплового потока:
Я = -2дгас1(7) + Л/ + £Л,*1' +
І=1 к=1
где Ь=!ц-еч>к - удельная энтальпия компонента смеси газов без учета колебательной энергии (еУ,к=0 Для О и К); Iі - вектор диффузионного потока і-го компонента, в данной работе он определялся на основе закона Фика в приближении бинарной модели диффузии:
Iі = - рБі &ай(Сі);
- вектор потока колебательной энергии молекулярного компонента,
определяемый по формуле я." = -д0^дгасі(Ске„к);
//, X, Б;, о; - коэффициенты вязкости, теплопроводности, диффузии и самодиффузии.
Вектор источника В в уравнениях Навье-Стокса для плоского (у=0) и осесимметричного (у=1) случаев имеет вид
В = 3(а>{,0,-(р + //ДсііуУ-2-)),0,ю к)т г 5 г
(г=|у| - расстояние от оси симметрии).
При определении источника соу>к в уравнениях для колебательной энергии использовано выражение
— ^ус,к ?
где С)у(,к - неупругие колебательно-поступательные взаимодействия; (фхк -колебательно-колебательные взаимодействия; - влияние химических
реакций на колебательную релаксацию.