Введение к работе
Актуальность темы. Разработка будущих трансатмосферных космических аппаратов, таких как the National Aerospace Plane (NASP), и маневрирующих (рикошетирующих) в верхних слоях атмосферы Земли аппаратов снова повысила в последнее десятилетие интерес к задачам гиперзвуковой аэродинамики п теплообмена в переходном режиме от континуального до свободно молекулярного. Традиционно обозначились два магистральных теоретических направления исследования задач подобного рода. Переходный режим обтекания изучается, с одной стороны, на основе различных континуальных моделей (уравнения Навье-Стокса, уравнения Барнетта, нелокальная гидродинамика и др.) и, с другой стороны, на основе молекулярно-кпнетнческих моделей (уравнение Больцмана, модельные кинетические уравнения, метод прямого статистического моделирования Монте-Карло).
Кинетический подход с самого начала подразумевает применение численных методов п требует больших затрат машинного ресурса в виду многомерности задач. Следует отметить, что в связи с развитием ЭВМ и разработкой эффективных численных методов, метод Монте-Карло получил в последние годы широкое применение при решении задач гиперзвуковой аэродинамики и теплообмена для больших п умеренно малых чисел Кнудсена (малые числа Рейнольдса)
При больших числах Рейнольдса (малых числах Кнудсена) традиционно применяются полные или упрощенные уравнения Навье-Стокса. Этот подход предполагает локально равновесное по поступательным степеням свободы состояние потока, что выполняется для достаточно плотного газа.
Применение граничных условий скольжения позволяет эффективно и с минимальными затратами вычислительных средств продвинуть континуальное описание в область меньших чисел Рейнольдса. Дело в том, что эти граничные условия учитывают отклонения от континуального (локально-равновесного по поступательным степеням свободы) режима с помощью решения кинетических уравнений в окрестности стенки. Полученные в диссертации граничные условия скольжения, скачков температуры и концентраций для термически неравновесной химически реагирующей на поверхности смеси газов расширяют диапазон применения механики сплошных сред в задачах гиперзвукового
обтекания разреженным газом на больших высотах с учетом их реальных свойств.
Цель работы - Получение граничных условии скольжения скорости, скачков температур и концентраций для термохимически неравновесной смеси газов на каталитически активной стенке. Исследование влияния полученных граничных условий на аэродинамические и тепловые характеристики пшерзвукового обтекания затупленных тел в верхних слоях атмосферы Земли.
Методы исследования. Используется формальная кинетическая теория газов, метод сращиваемых асимптотических разложений, численные методы решения уравнений вязкого ударного слоя. Научная новизна полученных результатов. Граничные условия скольжения обобщены на случай разных колебательных температур компонент. Каталитическая активность стенки относительно аккомодации различных видов энергии предполагается произвольной. Предложена схема учета, гетерогенных химических реакций с использованием полученных в работе выражений для реальных концентраций компонент смеси на стенке.
Практическая значимость исследования состоит в том, что полученные граничные условия скольжения могут быть использованы для конкретных расчетов задач пшерзвукового обтекания космических аппаратов п нагрева метеоритных тел в верхних слоях атмосферы.
Положения, выносимые на защиту.
-
Кинетическое обоснование уравнений газовой динамики для химически реагирующей смеси при разных колебательных температурах компонент.
-
Граничные условия скольжения для этих уравнений.
-
Схема учета гетерогенных химических реакций для обтекания тел разреженным газом.
-
Результаты численного исследования обтекания сферы на высотах 90 и 100 км в атмосфере Земли с учетом полученных граничных условий.
Апробация работы. По теме диссертации сделаны доклады на конференциях молодых ученых (механпко - математический факультет
МГУ, секция гидромеханики, 1994 и 1995 гг.). Результаты докладывались на научных семинарах Института Механики МГУ и механико-математического факультета МГУ и получили положительную оценку. По материалам работы имеется 5 публикации.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и двух приложений; всего содержит 105 страниц, включая 20 рисунков ц 7 таблиц. Библиография состоит из 7G работ.