Введение к работе
Актуальность проблемы.
Прогресс в области авиационно-космической техники в настоящее время и в обозримом будущем связан с созданием аппаратов для полета в верхних слоях атмосферы, граничащих с ближним космосом. Это аппараты типа «Буран» или «Спейс Шаттл», способные осуществлять управляемый спуск с орбиты. При разработке таких аппаратов одной из наиболее сложных для исследования является область высот полета, где отношение длины свободного пробега молекул воздуха в невозмущенном потоке к характерному размеру тела - число Кнудсена Kru=ta/L - порядка единицы - переходной режим обтекания. Новое поколение гиперзвуковых летательных аппаратов должно обладать высоким аэродинамическим качеством (К^З), для обеспечения возможности маневра в верхних слоях атмосферы за счет аэродинамических сил. Для увеличения качества необходимо уменьшать радиусы затупления носовой части, передних кромок крыльев и органов управления. Однако на этом пути основным препятствием является увеличение тепловых потоков на элементах конструкции с малым радиусом затупления, грозящее их разрушением. Максимальные тепловые потоки на элементах конструкции с радиусом затупления г^ІО'м достигаются именно в переходном режиме обтекания (КПоо^Ю'2). Следовательно, исследование теплопередачи в переходном режиме имеет практический интерес.
Метод расчета.
Расчетные исследования обтекания тел в переходном режиме ведутся, как в рамках механики сплошной среды, так и на основе кинетической теории газов. Из моделей сплошной среды помимо наиболее общей системы уравнений Навье-Стокса, используются различные ее упрощения, такие как: параболизованная система уравнений Навье-Стокса, модель тонкого вязкого ударного слоя (ТВУС) и другие. Для учета явлений разреженности используются граничные условия скольжения и скачка температуры на твердой поверхности, полученные на основе кинетического подхода, а также модифицированные условия Рэнкина-Гюгонио на ударной волне. Хотя, по сути своей, уравнения движения газа, как сплошной среды, справедливы при Кп„«1, модификация граничных условий позволяет несколько продвинуться в переходную область.
Однако адекватное описание движения газа во всем переходном режиме, может быть дано лишь на основе кинетической
теории. Для определения поля течений около гиперзвуковых летательных аппаратов в переходном режиме обтекания используются модельные кинетические уравнения, а так же метод прямого статистического моделирования (метод Монте-Карло - ПСМ). Именно этот метод и лег в основу данной работы. Причем успех в применении, как кинетических уравнений, так и метода ПСМ обуславливается простотой используемых моделей взаимодействия между молекулами в потоке и взаимодействия молекул с поверхностью летательного аппарата. Однако стремление к упрощенным моделям не должно идти в ущерб их физическому содержанию и необходимо как можно более полно учесть как внутреннюю структуру молекул, так и характерные особенности межмолекулярного взаимодействия.
Целью данной работы являлось:
-
Создание модели взаимодействия молекул с учетом внутренних степеней свободы и диссоциации для моделирования гиперзвуковых течений разреженного газа методом ПСМ протекающих при высокой температуре; реализация этой модели на базе доступной вычислительной технике.
-
Изучение особенностей течения и теплообмена в окрестности критических точек и линий (на основе ПСМ) применительно к условиям движения воздушно-космического самолета.
-
Исследование на основе ПСМ влияния определяющих пара-
метров модели и физико^хймическихгпроцессов налокальные
и интегральные аэродинамические характеристики тел простой конфигурации.
4. Изучение влияния законов отражения молекул и атомов от по
верхности тела на удельный поток тепла на критических по
верхностях.
Научная новизна, практическая полезность.
В работе предлагаетвя модель позволяющая проводить вычисления методом ПСМ на вычислительной технике средней мощности. К ее достоинствам также можно отнести то, что она одновременно учитывает как вращательные, так и колебательные степени свободы молекул. Последние могут рассматриваться как на классическом уровне, когда колебательная энергия молекул имеет непрерывный спектр, так и на квантовом уровне, когда колебательная энергия передается квантами. В свою очередь кванты, могут быть или для гармонического осциллятора, или для ангармонического. Для ангармонического осциллятора Морзе естествен-
ным образом рассматривается процесс диссоциации молекул. Параметры модели зависят не только от усредненных характеристик, таких как поступательная температура газа, но и от относительной скорости молекул перед столкновением, что дает возможность учесть, таким образом, неравновесный характер течений в ударных волнах. Изменяя параметры модели, которые определяются в эксперименте, легко исследовать их влияние на параметры течений. Таким образом, предложенная модель претендует в какой-то степени, на универсальность описания физико-химических процессов происходящих в реальных газах как например модель Ларсена-Боргнакке [2]. Однако в отличие от нее, свободна от того недостатка, что не использует при расчете скоростей молекул после столкновения равновесные функции распределения.
Публикации.
Основные результаты данной работы опубликованы в следующих изданиях: журналах Математическое моделирование, Механика жидкости и газа; в тезисах симпозиума по RGD - 1998, Марсель, Франция; в трудах международной конференции - Ргос. of Third Seminar on RRDPAE'98. Warsaw, 1998; в трудах XV Международной Школы им. акад. Н.Н.Яненко по моделям механики сплошной среды. 01-10 июля 2000 г. С.-Петербург, Россия.
Апробации работы.
Автор диссертации участвовал в ряде научных конференций, таких как: ежегодная студенческая конференция МФТИ-2000; конференция молодых ученых и специалистов ЦАГИ; XV Международная Школа им. Н.Н.Яненко по моделям механики сплошной среды-2000; Second Seminar on RRDPAE'98 Warsaw 1998; RGD-1998 Франция.
Структура диссертации.