Введение к работе
„- їсти
'Зі
ность
Дкт.уал ......ух
" Развит:е авиации, космонавтики, ударноволновых технологий
ривел&дий Значительному расширению исследований в областях даёмики~ "разреженных газов, кинетики газовых физике— имических процессов. Были обнаружены в ударных волнах явле-ия, не получившие удовлетворительного объяснения в рамі.зх лассических представлений. К таковым относятся неравновесное вечгние фронта в инертных газах, в их смесях с метаном и ам-яаком,аномально короткие периоды индукции ряда цепных реак-Лй.Было высказано предположение (Г.Б.Манелис, Л.П.Генич) о їлиянии особенностей поступательной релаксации во фронте на ти явления. Все это требует, как правило, исследования еысо-оскоростных "хвостов" функций распределения и стало новым тимулом изучения поступательной, вращательной и химической іелаксации в ударном скачке уплотнения. Проведение данных ис-ледований позволяет приблизиться к более глубокому пониманию ;ля газовых смесей проблем инициирования пороговых физико-лмических процессов, цепных реакций, механизма детонации, іто чэрезвычайно актуально длн физики горения и взрыва, прак-'ических приложений в аэрокосмической технике, ряда техноло-'ически" процессов. Проведение'соответствующих экспериментов івязано с большими трудностями и получаемая информация весьма іграничена. Этим обусловлен повяленный интерес к теоретически исследованиям. В данном случае нельзя испо.^зовать . кпе-іические уравнения газовой динамики, которые описывают систе-іу на макроуровне, т.к. характерный размер задачи порядка (лины свободного пробега в газе. Классической основой рассмотрения этой задачи являются уравнения Больцмана. Известны трудности их прямого решения, получаемого в . данном случае 'олько численно. Прогресс здесь во многом обеспечен использо-іанием новых численных методов. Из них наиболее эффективным уія изучения поступательной неравновесности и связанных с ней юевозмозкных эффектов во фронте ударной волны оказался пред---юяенный Г. Б'ёрдом нестационарный метод статистического мод -
лирования. Он уже применялся ранее для изучения ударои волны в простейших случаях одно - и двухкомпонентного инертного газа. Приложение данного метода к более сложным задачам да* многокомпонентных химически реагирующих ере," требует его существенного усовершенствования. Также представляет Сольшо интерес развитие новых методов моделирования процессов в газах на уровне молекулярного движения, опирающихся только т законы механики (прямого метода динамического моделирования) Всему этому, а также .;селедованию с помощью данных численны: методов поступательной и химической неравновесности в ударної волне посвящена диссертационная работа. Этим определяется еі актуальность. Цели работы;
дальнейшее развитие нестационарного метода статистичес кого моделирования, разработка схем моделирования с весами зависящими от скоростей частиц;
разработка прямого метода динамического моделирования разрекенных газах;
создание алгоритмов и вычислительных програми для моде дарования ударной волны в инертных и химически реагирующи газах;
численное исследование структуры ударной волны 'В газа на молекулярно-кинетическом уровне, изучение специфически особенностей взаимодействия активационных физико-химически процессов и поступательной релаксации во фронте волны.
.Чаучная новизна
Разработаны и реализованы в виде вычислительных протраї, для ЗиЛ, использующее вэсобыо множители (р oOiu'jm случае nept менше), экономные алгоритма нестационарного статистическої моделирования ударной волны в инертных и реагирующих газов! смесях.
Было показано в результате теоретико-вероятностного аш лиза для нроотраногБашю неоднородной задач;? в общем случ; мимически реагирующей газовой смеси, что результаты даделщх Еалия с использованием пэремэкшк весовых множителей ооотве' ствуют при справедливости типотали о молекулярном хсосе реші нию интёгроконечно-разяоетшх схем для функций распределени:
- ?. -
Данные схеш аппроксимируют уравнения Больцмана с точностью до первого порядка малости по временному интервалу расщепления эволюции моделънол системы At и характерному размеру пространственной' ячейка.
Детально изучена поотупательная неравновесность во фронте ударной волны в ^-покомпонентном газе. Впервые обнаружено при числе Маха и^-5 небольшое превышение значений функции распределения пар частиц по относительны)- скоростям во фронте ее равновесных значений за волной в области тепловых скоростей.
Исследована поступательная неравновесность во фронте ударной волны, распространяющейся в бинарной смеси газов, в широком диапазоне параметров задачи таких, как отношения концентраций и масс компонентов смеси, чисел Маха ударной волны. Показано, что функции распределения пар из легких и тякелых частиц и пар тяжелых частиц с большими относительными скоростями з неравновесной зоне превосходят соответствующие равновесные величины за волной. Также показано, что большинство характеристик поступательной неравновесности в тяжелой примеси стремится к предельным значениям с ростом числа Маха волны и уменьшением концентрации тяхалого газа. Оказалось,что использование в расчетах различных моделей потенциалов взаимодействия молекул практически і о влияет на характеристики поступательной коравдовескости, за исключением сепарации компонентов і. ширины фронта волны. Было прказано, что наличие доке очень малой тякелой примеси мокет устранить перехлест в профиле продольной температуры легкого компонента. Данный эффект усиливается о ростом разницы масс компонентов. <
Проведены расчеты струкуры фронта ударной волны в трех-комлонентной смеси, которые иллюстрируют возможности УСИ"ЄШІЙ неравновесных эффектов в трехкомпокентном газе по сравнения о бинарным.
Проведено статистическое моделирование ударной волны в чэтырохкомпонентной газовой смеси,в которой может происходить обратимая бимолекулярная химическая реакция, и Исследована поступательная неравновеснооть на уровне функций распределения.' Непосредственно показано, что коэффициенты скоростей пороговых ревкций внутри во.тш заметно превышают свои рэвтювеот
ныэ значения за волной и этот а$экт усиливается с повышением порогов активации. Показано, что химические реакции, протекающие в зоне сильной поступательной неравновесное, в свою очередь могут в ряде случаев заметно влиять а макроскоііичес-кую структуру фронта ударной волны и, в чі лности, приводить к изменению ширины фронта удрчноя волны и к немонотонности профилей концентрации отдельных компонентов.
Разработана схема статистического' шделиров ния с весовыми мжхкителями частиц, зависящими от их скоростей. Она позволяет определять скоростные характеристики малочисленных групп молекул, например, высокоскоростные "хвосты" функция распределения. Простейший вариант данной схемы был успешно опробован на задачах о пространственно однородной поступательной релаксации и об ударной волне в газе. Удалось разработать эффективный алгоритм универсального варианта предложенной схемы,основанной на разбиении пространства скоростей на параллелепипеда .
Создан прямой метод динамического моделирования газа, молекулы которого рассматриваются как жесткие сферы. Он основы-в'ается только на механике Ньютона," физически и математически ясен и успешно опробован на задаче об ударной волне в газу.
Практическая значимость
Изложенные в диссертационной работе новые алгоритмы нестационарного метода статистического моделирования могут быть использованы при проведении расчетов обтекания тел сверхзву-ковш л потоками в верхних слоях атмосферы,при дальнейших числених исследованиях поступательной, вращательной (после модификации) и химической неравновесности во ф70нте ударной волны,распространяющейся в газовых смесях. Дзннне алгоритмы эко-НОМЇЕІ и эффективны для решения перечисленных задач.
Сделанные заключения о характере поступательной неравно-.весности газов во фронте ударной волны, о взаимодействии данной неразноввсности с химическими процессами будут полезны для понимания' особенностей физико-химических процессов в. скачке уплотнения, в частности, неравновесного свечения ряда газовых смесей, иниц"ирования цепных реакций. . ''' ...'- 4'.-
