Введение к работе
І;- <: І
та.'-;' . ) ^ссортации Актуальность темы. Несмотря на развитие численных методов их
состояние таково, что расчет задач обтекания вязким газом реальных космических аппаратов на современных ЭВМ не достиг того уровня, при котором возможно параметрическое исследование, необходимое для конструкторских разработок. Учет физико-химических процессов в задачах гиперзвукового обтекания приводит к еще более сложным с вычислительной точки зрения проблемам. Возможности экспериментального моделирования ограничены, т.к. действительные условия обтекания- реальных аппаратов не могут быть воспроизведены в существующих наземных установках. Отсюда следует вывод о важности дальнейших разработок точных и эффективных численных методов.
Интерес к задачам аэродинамики и теплообмена с физико-химическими превращениями был связан в 70-х и 80-х годах с разработкой космических аппаратов типа Space Shuttle, Буран, движущихся по планирующей траектории входа с низкой орбиты Земли, а с середины 80-х годов такой интерес связан с разработкой транспортных космических аппаратов, движущихся по рикошетирующей траектории. Все процессы на больших высотах из-за низкой плотности протекают неравновесно - время их протекания сравнимо с временем пребывания жидкой частицы в потоке около тела. Однако, до последнего времени все расчеты гиперзвукового обтекания велись в рамках модели одно-температурной кинетики. Поэтому исследование задач гиперзвукового обтекания тел с учетом явлений неравновесного возбуждения внутренних степеней свободы частиц является актуальной проблемой.
Цель работы:
разработка численного метода решения стационарных параболизо-ванных уравнений' Навье-Стокса, описыващих обтекание затупленных тел реальным газом;
исследование с помощью этого метода задачи о сверхзвуковом
обтекании 'затупленных тел термодинамически неравновесной смесью газов в рамках параболизованных уравнений Навье-Стокса с учетом многокомпонентной диффузии, неравновесных гомогенных и гетерогенных химических реакций.
Основные результаты и их научная новизна.
1. Предлагается новый численный метод решения стационарных
параболизованных уравнений Навье-Стокса с использованием глобаль
ных итераций (ГИ) по полю давления. Метод позволяет решать задачу
единообразно, без привлечения других расчетных данных. Сходимость
достигается за w-15 ГИ. Для решения задачи в оперативной памяти
требуется хранить только искомые функции на двух соседних лучах,
а также поле давления и физической координаты. Это существенно
экономит память, и при заданных ресурсах ЭВМ позволяет решать
задачи с более полным учетом различных физических процессов в
реальном газе.
2. Рассмотрены три модели химической и термодинамической
неравновесности. Показано, что учет термодинамической неравновес
ности приводит к увеличению размеров возмущенной области на
10*207.; повышению максимума поступательной температуры на
1000-=-3000 в ударном слое.
-
Показано, что рассмотренная часть траектории входа характеризуется отсутствием равновесия между колебательными и поступательными степенями свободы. Это приводит к уменьшению степени диссоциации и к значительному увеличению содержания окиси азота в ударном слое.
-
Учет взаимного влияния колебательной релаксации и химических реакций является необходимым для правильного количественного моделирования гиперзвуковых течений с физико-химическими превращениями. При развитой диссоциации пренебрежение влиянием химических реакций на колебательную релаксацию приводит к отбра
сыванию членов, по порядку величины соответствующих величине релаксационных членов Ландау-Теллера.
S. Показано, что учет термодинамической неравновесности приводит к значительному (до 407.) увеличению теплового потока на теплонапряженном участке рассмотренной части траектории входа. Неопределенность в значениях теплового потока при постановке различных граничных условий (прилипания или скольжения и скачка температуры) в верхней точке траектории (ПОкм) составляет 297. для термодинамически равновесной модели и 60 для термодинамически неравновесных моделей.
Практическая ценность. Предложенный метод позволяет рассчитывать сверх- и гиперзвуковое обтекание затупленных тел с минимальными затратами всех ресурсов ЭВМ и, следовательно, проводить параметрические расчеты различных режимов течения в широком диапазоне определяющих параметров в рамках параболизованных уравнений Навье-Стокса с наиболее полным учетом физико-химических процессов в реальном газе.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались в Институте механики МГУ на семинарах по физико-химической газовой динамике под руководством профессора Г.А.Тирского, на V Всесоюзной школе-семинаре "Современные проблемы механики жидкости и газа" (г.Иркутск, август 1990г.), на VIII Всесоюзном совещании по механике реагирующих сред (г.Кемерово, февраль 1990г.) и получили положительную оценку.
Основное содержание диссертации опубликовано в работах [1-7].
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 144 наименований, включает 5 таблиц и 73 рисунка. Общий объём работы 133 страницы.