Математическое моделирование термо-газодинамики и тепло-массообмена турбулентных высокоэнтальпийных потоков с неравновесными физико-химическими процессами

• Автор: Молчанов, Александр Михайлович
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 249 с. : 49 ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Глава 1. Критический анализ методов и средств численного решения проблемных задач термо-газодинамики и теплообмена в авиационной и ракетно-космической технике
1.1. Общий подход к математическому моделированию высокоэнтальпийных течений с неравновесными физико-химическими
процессами

1.2. Состояние проблемы

Глава 2. Общая математическая модель полной связанной системы уравнений турбулентного высокоэнталъпийного течения с неравновесными физикохимическими процессами
2.1. Основная система уравнений, описывающих течение химически и термически неравновесного газа

2.2. Термодинамические свойства

2.3. Механизмы энергетического обмена

2.3.1. Поступательно-колебательные переходы
2.3.2. Внутримолекулярные колебательно-колебательные (У-У) переходы
2.3.3. Межмолекулярные колебательно-колебательные (У-У)
переходы
2.3.4. Спонтанная излучательная дезактивация колебательных мод
2.4. Упрощение уравнений колебательной энергии
2.4.1. Уравнения колебательной энергии для компонентов
2.4.2. Упрощенная модель расчета термодинамических свойств
2.4.3. Общее уравнение для колебательной энергии
2.5. Моделирование потоков
2.6. Химическая кинетика
2.7. Турбулентные течения. Основная система уравнений, осредненных по Рейнольдсу

2.8. Влияние сжимаемости на интенсивность турбулентности (Обзор)
2.9. Уравнения переноса напряжений Рейнольдса
2.10. Алгебраическая модель для напряжений Рейнольдса в высокоскоростных потоках
2.11. Тестирование модели
2.12. Турбулентные потоки скалярной величины
2.13. Уравнение для дисперсии пульсаций скалярной величины
2.14. Уравнение для скорости диссипации пульсаций скалярной величины в{
2.15. Окончательный вид уравнений для турбулентных потоков
энергии и массы
2.16. Апробация модели для турбулентных потоков массы и энергии
2.17. Влияние турбулентности на скорости химических реакций
2.18. Функция распределения плотности вероятностей
2.18.1. ФРПВ для температуры
2.18.2. ФРПВ для концентраций компонентов
2.19. Осредненные скорости реакций, скорости образования компонентов и соответствующие матрицы Якоби
2.20. Апробирование модели влияния турбулентности на скорости реакций. Сопоставление с экспериментальными данными
2.21. Учет времени распада вихрей на характер турбулентного горения..
2.22. Срыв догорания в струях РД
Глава 3. Численные методы решения основной системы уравнений
3.1. У равнение поступательно-вращательной энергии
3.2. Векторная форма записи основной системы
3.3. Преобразование координат
3.4. Конечно-объемное представление основного уравнения
3.5. Методы решения системы алгебраических уравнений
3.6. Граничные условия
3.7. Фиктивные ячейки

3.7.1. Граничные условия для конвективных потоков
3.7.2. Граничные условия для вязких потоков
3.8. Апробация метода
3.9. Параболизация основной системы уравнений
3.10. Численный метод решения параболизованной системы уравнений Навье-Стокса
3.11. Определение матриц подобия и собственных значений матриц Якоби
3.12. Результаты расчетов по упрощенной методике и сравнение с расчетами по основному методу решения
Глава 4. Математическое моделирование многофазных потоков
4.1. Многофазные потоки
4.2. Постановка задачи
4.2.1. Коэффициент сопротивления частиц
4.2.2. Коэффициент теплоотдачи
4.3. Система уравнений для описания двухфазного течения газа при
наличии неравновесных химических реакций
4.4 Параметры межфазного взаимодействия для двумерной задачи
4.5. Метод решения
Глава 5. Экспериментальные исследования высокоэнтальпийных потоков. Сравнение результатов расчета с полученными экспериментальными данными
5.1. Экспериментальная установка
5.2. Недорасширенная звуковая догорающая струя
5.3. Расчетная сверхзвуковая струя
5.4. Горячие сверхзвуковые струи воздуха
5.5. Догорающая струя, истекающая из твердотопливного газогенератора
Глава 6. Примеры реализации модели и обсуждение результатов моделирования

Решение проблемы высокоскоростной сжимаемости в этих работах основано либо на введении понятия дополнительной диссипации, либо на снижении коэффициента в формуле турбулентной вязкости. Ни в одной из упомянутых работ не приводится строгого физического обоснования этих поправок.
В высокоэнтальпийных потоках принципиальное значение может иметь моделирование турбулентного тепло- и массообмена. Обычно используемое допущение о том, что турбулентный перенос тепла и диффузионные потоки химических компонентов подобны переносу импульса, может приводить к грубым ошибкам. В монографии под редакцией В. Кольмана (1984)[22] показано, что турбулентные числа Прандтля и Шмидта могут изменяться в очень широком диапазоне (от ~0.2 до -1.5).
Сегодня в этом плане следует выделить два основных направления исследований. Одно из них проводится под руководством известного учёного Х.А.Хассана (2005-2009) [81-84]. Другое - возглавляется учёным С.М.Дэшем (2005-2008) [31-34]. Концепции исследований этих направлений довольно сильно отличаются. Результаты расчетов не всегда согласуются с экспериментальными данными. Это указывает на тот факт, что необходимо провести ещё много дополнительных исследований и дискуссий для получения адекватной и достоверной математической модели тепло-массообмена в условиях турбулентности течений. Такая модель крайне необходима для решения указанных выше актуальных, проблемных задач.
Выбор системы химических реакций, сопутствующих высокоэнтальпийному течению, а также выбор коэффициентов скоростей этих реакций, представляет весьма нетривиальную задачу. Как известно, скорости химических реакций нелинейно зависят от статической температуры и массовых концентраций компонентов газовой смеси. Поэтому их осреднение в турбулентных высокоскоростных течениях требует применения методов теории вероятности и введения ряда дополнительных уравнений.