Вычислительные модели физико-химической кинетики высокотемпературных газовых потоков

• Автор: Котов, Дмитрий Владимирович
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 148 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение
Глава 1. Проблемы численного моделирования полета при гиперзвуковых скоростях
1.1. Обзор работ, посвященных численному исследованию полета гиперзвуковых летательных аппаратов
1.2. Интегрированные модели физических явлений
1.3. Выводы
Глава 2. Построение расчетных сеток
2.1. Генерация неструктурированных треугольных сеток
2.2. Параболический генератор сеток
2.3. Выводы
Глава 3. Расчет течений вязкого газа на неструктурированных сетках
3.1. Введение
3.2. Постановка задачи
3.3. Численный метод
3.4. Применение схемы АН Б N4 для определения параметров распада разрыва
3.5. Алгоритмы и оптимизация
3.6. Результаты расчетов
3.7. Выводы
Глава 4. Расчет течений вязкого химически реагирующего газа в канале, моделирующем участок ГПВРД
4.1. Введение
4.2. Постановка задачи
4.3. Расчет химических реакций
4.4. Результаты расчетов течения химически реагирующего газа
4.5. Выводы
Глава 5. Расчет излучения в камере ГПВРД
5.1. Введение
5.2. Оптические свойства среды
5.3. Расчет в приближении плоского слоя
5.4. Расчет в диффузионном приближении
5.5. Выводы

Глава 6. Метод Монте-Карло для расчета переноса излучения
6.1. Введение
6.2. Тестовое решение задачи о переносе излучения в плоском светорассеивающем слое.
Решение задачи Милна методом Крылова-Боголюбова
6.3. Тестовое решение задачи о переносе излучения в плоском светорассеивающем слое. Решение задачи методом Монте-Карло
6.4. Тестовое решение задачи о переносе излучения в плоском светорассеивающем излучающем слое
6.5. Алгоритм имитационного моделирования, основанный на локальной оценке направленной излучательной способности
6.6. Сравнение двух алгоритмов имитационного моделирования на примере расчета сигнатуры излучения струи продуктов сгорания
6.7. Выводы
Глава 7. Расчет констант скоростей диссоциации и времен колебательной релаксации двухатомных молекул
7.1. Введение
7.2. Постановка задачи
7.3. Описание алгоритма моделирования
7.4. Измерение параметров системы
7.5. Результаты моделирования
7.6. Подход, учитывающий квантовые уровни внутренней энергии частиц
7.7. Расчет статсуммы молекулярного газа
7.8. Выводы
Заключение
Литература

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность. Экспериментальные и теоретические исследования физико-химических процессов, протекающих при гиперзвуковом полете летательных аппаратов, приобретают все большую актуальность с развитием аэрокосмической техники. Однако, физические эксперименты в этой области отличаются высокой стоимостью и сопровождаются множеством технологических сложностей. Поэтому большую роль играет численное моделирование условий гиперзвукового полета [67, 88, 94].
Полет летательного аппарата на гиперзвуковой скорости (М > 6) сопровождается множеством процессов, не характерных для движения при более низких числах Маха. В качестве примера этих процессов можно особо отметить наличие химических реакций (прежде всего диссоциация), излучение нагретого газа, турбулентное смешение и горение. Наличие такого множества физико-химических процессов приводит к необходимости комплексного развития соответствующих вычислительных моделей физической механики.
Важной составной частью современных задач физической и химической механики, ориентированных на проблемы гиперзвука, является задача расчета констант скоростей кинетических процессов и времен их релаксации. Современные компьютерные алгоритмы позволяют не только моделировать поведение микросистем на атомном и молекулярном уровне, но и включать ряд моделей микроуровня в модели макроуровня. Появился и в настоящее время активно развивается новый тип моделей физической механики -интегрированные модели, то есть модели физических явлений, объединяющие в себе одновременную реализацию многоуровневых моделей. Разработка таких моделей и соответствующих численных методов является весьма актуальной в настоящее время [66].
Цель работы заключается в построении интегрированной модели ряда физико-химических процессов, протекающих при гиперзвуковом полете летательного аппарата и разработка вычислительных методов и компьютерных кодов для проведения численных экспериментов в рамках построенной модели.

в) Постоянный поток:
Э£ = 0; ^ = 0; ^=0; ^ = 0. (ГУ 3)
дп дп дп дп
Данное условие используется при вытекании газа из расчетной области.
3.3. Численный метод
Аппроксимация по пространству
В соответствии с идеологией метода контрольного объема вся расчетная физическая область разбивается на конечное число непересекающихся элементов, в данном случае - треугольников.
Введем следующие обозначения для проекций полного потока:

риг+р-Т„ риь-т^ и(е + р)-ит:сх-тух + цх

рио-тху ри2 + р-т)у и(е + р)-иту1-отп+цу

УУ 1У у
Тогда уравнения (3.1) можно записать в виде:
^ + ^У)_+дё[0*) = о б? дх ду Проинтегрируем систему (3.2) по /-му треугольнику АВС:

^ _Чав (0 "*■ Яве (0 Уса (01 ’
(3.2)
(3.3)
где Si - площадь треугольника АВС, осредненное по треугольнику
значение ц — поток через грань треугольника, определяемый по формуле:
Чав (0 = (f&y-gйx).

В первом приближении этот интеграл равен