Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ. В физико-химической газовой динамике широко используются математические методы моделирования. Математическое моделирование позволяет, с одной стороны предсказать конкретные условия планирования экспериментов, что значительно уменьшает объем трудоемких экспериментальных исследований, а с другой - получить дополнительную информацию на основе имеющихся экспериментальных данных.
Современное развитие методов математического моделирования в области физико-химической газовой динамики привело к необходимости перехода на качественно новый уровень этих исследований и приемов формирования моделей. Такой переход должен не только освободить исследователя ог рутинной работы по численному моделированию кинетических и газодинамических уравнений, но и обеспечить реализацию единой линии математической технологии решения задач - от постановки задачи, выбора, моделей и их полного информационного обеспечения всеми необходимыми физико-химическими данными, до оперативно формируемых программных комплексов, с помощью которых яозкно решить поставленную задачу.
В связи с этим разработка методов математического моделирования сложных физико-химических процессов в газовой динамике, формализация процедуры генерации кинетических уравнений с использо-занием структурированных файлов данных по физико-химической кинетике, анализ сложного физико-химического процесса, с целью выявления наиболее важных процессов и построение на этой основе быст-гадействуодих компактных моделей, адекватно описывающих систему іредставляется чрезвычайно актуальной. Актуальными являются вари-щионные задачи газовой динамики с учетом кинетических процессов. ЦЕЛЬЮ настоящей работы является:
Создание СИСТЕМЫ для решения проблем физико-химической газоди-:амики, которая включает структурированные файлы данных по физи-.о-химической кинетике, генератор кинетических уравнений колеба-ельной релаксации и химических реакций, программы прямого расче-а уравнений газовой динамики с кинетическими уравнениями, прог-аммы-модули для решения вариационных задач и задач определения омпактных механизмов ведущих кинетических процессов.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы заключается в следующем.
В диссертации развито перспективное научное направление, связанное с проблемой математического моделирования сложных физико-химических процессов в газовой динамике. Для этого впервые создана сложная СИСТЕМА численного решения задач физико-химической газовой динамики. Основными элементами СИСТЕМЫ являются: структурированные файли кинетических данных, универсальный генератор кинетических уравнений колебательной релаксации и химических реакций, программы прямого расчета уравнений газовой динамики с кинетическими уравнениями, программные модули оптимизации и построения кинетической модели среды.
Создан оригинальный программный модуль (СИСТЕМЫ) оптимизации параметров задачи определения наиболее выгодных условий функционирования газодинамических устройств, в которых протекают газофазные физико-химические процессы.
Разработан и создан оригинальный программный модуль (СИСТЕМЫ) построения кинетической модели среды на основе выбора минимального набора ведущих процессов из исходного файла кинетических данных, обладающего свойством полноты. При этом использовался нетрадиционный для физико-химической кинетики подход: переход от сложной модели - к простой, адекватно описывающей исследуемый объект. С использованием этой компоненты СИСТЕМЫ показана возможность значительного упрощения механизма физико-химических процессов, происходящих в газе.
Построена обобщенная компонента СИСТЕМЫ для выбора ведущих процессов при учете погрешности в задании констант скоростей элементарных стадий, когда учитывается возможность случайного разброса кинетических констант скоростей физико-химических процессов.
Создан структурированный файл кинетических данных, содержащий молекулы С02, N2. Не, Н20, СО. 0г. Н2, N0, ОН, Н. О (250 КСТО000 К). С использованием СИСТЕМЫ разработана математическая модель протекания процессов такой смеси и создана программа интегрирования системы кинетических уравнений при течении лазерной смеси (с участием перечисленных компонент) в сверхзвуковом сопле и резонаторе в предположении одномерности и двумерности газового потока.
Впервые решена задача поиска условий получения максимальных значений коэффициента оптического усиления и удельной мощности генерации в газодинамическом лазере (ГДЛ) на углекислом газе на
слове одновременной оптимизации многих параметров (начальные ус-обия. состав газа, профиль сопла и характеристики резонатора), цело параметров оптимизации достигало десяти. Решена задача оп-имизации ГДЛ на С02 с учетом химических превращений. Проведен равнительный расчет мощности ГДЛ в предположении одномерности и .вумерности газового потока для условий, соответствующих оптимальным. Исследованы возможность работы ГДЛ на предельно низких анальных температурах Т0 от 1400 К до 800 К и давлении р0 ~5атл. Юлучены механизмы основных каналов энергообмена в ГДЛ на С02.
Предложены данные о константах скоростей кинетики физико-хими-:еских процессов в воздухе, аппроксимированные до высоких темпе-іатур (от 200 К до 100000 К); создан структурированный файл кине-ических данных. Проведено сравнение различных моделей диссоциа-;ии молекул 02 и N2 за прямой ударной волной, распространяющейся : атмосфере на высоте 70-^80км. Установлена принципиальная роль адержки колебательного возбуждения в процессе диссоциации кисло-юда и азота. Численно показано, что "(3-модель" с постоянным зна-[ением р дает большое искажение в результатах при скоростях расп-юстранения ударной волны V)[0km/c. Получены механизмы ведущих мзико-химических процессов в воздухе для скоростей распростране-ия ударной волны в атмосфере до Икм/с.
Исследованы неравновесные процессы в смеси двухатомных ан-'армонических осцилляторов при световом и тепловом воздействии с юмощью прямой ударной волной (на примере молекул Н2). при расши-шнии в сверхзвуковом сопле с последующим нагревом за косой удар-[ой волной (на примере молекул СО+Ar). Показано, что при воздейс-вии на газ ударной волной образуется абсолютная инверсия по ко-юбательным уровням. Найден оптимальньй угол наклона косой удар-!ой волны, когда обнаруженный эффект становится максимальным.
НАУЧНАЯ и ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ работы заключается в созда-ши универсального генератора уравнений физико-химической газовой динамики, на основе структурированного файла данных колебательной >елаксации и химических реакций. Генератор позволяет эффективно формировать кинетические уравнения для сложных физико-химических іроцессов. Созданная СИСТЕМА, описанная в разделе 1.3 диссертации, может быть использована для решения научных и прикладных за-іач газовой динамики с учетом кинетических уравнений.
В настоящее время к СИСТЕМЕ подключены готовые к использованию ;труктурированные файлы данных для газовой смеси, состоящей из ко-
- 4 -лекул С02, N2. Не, Н20, СО. 0г, Нг. КО, ОН, Н, N. О, а также файлы данных для смесей, состоящей из соединений N - 0, с константами скоростей, аппроксимированными до нескольких десятоков тысяч градусов. Созданы файлы физико-химических процессов, позволяющие провести вычислительный эксперимент при моделировании горения углеводородных топлив в соединениях атомов C-H-N-0.
Рекомендации по созданию промышленных газодинамических лазеров на С02 могут быть использованы при непосредственном проектировании ГДЛ.
В результате применения системы выбора ведущих процессов к сложной модели, получаются компактные механизмы, адекватно описывающие исследуемый объект, в частности эти механизмы основных процессов могут быть использованы при решении вариационных задач физико-химической газовой динамики и расчете сложных (многомерных, нестационарных) задач, также с учетом кинетических процессов.
Программный модуль для упрощения сложных кинетических механизмов является функциональной компонентой системы АВОГАДРО - генератора оптимальных моделей среды.
созданную СИСТЕМУ для решения задач физико-химической газовой динамики и основные ее компоненты: генератор кинетических уравнений колебательной релаксации и химических реакций, используемые в работе структурированные файлы физико-химических данных, программы прямого расчета уравнений газовой динамики с кинетическими уравнениями;
математическую модель и программный модуль оптимизации параметров для задачи определения наиболее выгодных условий функционирования газодинамических устройств, в которых протекают газофазные физико-химические процессы;
математическую модель и программный модуль упрощения сложной кинетической схемы, описывающей физико-химические процессы в газе;
результаты решения задачи поиска условий получения максимальных значений коэффициента оптического усиления и удельной мощности генерации в ГДЛ на углекислом газе;
результаты разработки и оптимизации газодинамического генератора озона;
математическую модель кинетики физико-химических процессов в высокотемпературном воздухе для условий соответствующих распространению прямой ударной волны в атмосфере на высотах 70-80кя. Ре-
- 5 -зультаты сравнения различных моделей диссоциации молекул 0г и U2 за прямой ударной волной;
содержание механизма ведущих физико-химических процессов: для задачи распространения ударной волны в атмосфере для скоростей фронта до 11км/с. для модели кинетики в ГДЛ на С0г, для задачи горения пылевидного топлива;
результаты исследований в смеси двухатомных ангармонических осцилляторов при световом и тепловом воздействии с помощью прямой ударной волны (на примере молекул JJZ). при расширении в сверхзвуковом сопле с последующим нагревом за косой ударной волной (на примере молекул СО).
ЛИЧНЫЙ вклад автора заключается в формировании общих концепций настоящей работа, разработке математических моделей, алгоритмов и программ расчета кинетических процессов и программных модулей, непосредственном участии в проведении расчетно-теоретических исследований.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ И ПУБЛИКАЦИИ. Основные положения, результаты и выводы диссертации докладывались и обсуждались: На I Всесоюзной школы-конференции "Применение лазеров в машиностроении и других областях техники и физические вопросы разработки газовых лазеров" (Москва. 1974); Научн. конференции "Ломоносовские чтения" (Москва, Институт Механики МГУ.1973.1975); II Всесоюзной конференции "Динамика излучающего газа" (Москва, 1975); X Всесоюзном симпозиуме по горению и взрыву (Черноголовка, 1992); конференции "Физика и техника плазмы" (Минск, 1994); Int. Conference Combustion Procedlng of the Zel'dovlch memorial (Москва, 1994); 6th MAA/ASME Joint Thermaphysics and Heat Transfer Conferens (Colorado Springs. 1994); Всесоюзном семинаре "Физико-химическая ошетика в газовой динамике" (Москва, Институт Механики МГУ, 1994); I -м международной конф. "Неравновесные процессы в соплах і струях" (Москва, 1995); Школе-конференции "Молекулярная физика і сверхзвуковые течения" (Италия; 1995); 9th Int. Symp. on :omputer Science for Environment Protection (Berlin, 1995); Науч-ю-технической конф. "Физико-химические проблемы экологии энергоустановок на углеводородных гопливах" (Москва. 1995); семинарах ікадемика Г.И.Петрова, академика Г.Г.Черного.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, іести глав, заключения и списка литературы из 237 наименований, ;ключая 46 ссылок на работу автора. Текст диссертации содержит
331 стр. машинописного текста, включая 52 стр. с рисунками, 15 стр. с таблицами.
