Введение к работе
Актуальность темы. Исследование разреженных неравновесных течений имеет непосредственное отношение к разработке новых аэрокосмических и микроэлектронных технологий Поскольку экспериментальное моделирование таких течений затруднительно как с технической, так и с экономической точки зрения (особенно в случае высокоэнтальпийных течений), то практически единственным средством для получения достоверных данных являются численные методы динамики разреженного газа (ДРГ)
Метод прямого статистического моделирования (ПСМ) в настоящее время фактически является основным инструментом для исследования сложных многомерных течений разреженного газа Метод ПСМ традиционно рассматривается как метод компьютерного моделирования 105 — 107 частиц, представляющих газовое течение Процесс непрерывного движения и столкновений молекул на временном шаге At расщепляется на два последовательных этапа - свободномолекулярный перенос и столкновительную релаксацию Метод ПСМ может рассматриваться как стохастический численный метод решения кинетического уравнения Больцмана, основного уравнения ДРГ Метод обычно используется в переходном режиме течения, когда сплошносредное описание неприменимо, то есть при числах Кнудсена Kn= X/L > Ю-1, где А - длина сободного пробега молекул в газе, a L -характерный размер течения
Все существующие на данный момент схемы реализации метода ПСМ близки по эффективности Применимость метода ПСМ для моделирования течений простого газа неоднократно подтверждалась сравнениями с экспериментальными данными, результатами численных исследований другими методами ДРГ и аналитическими результатами
В настоящий момент основное направление в развитии метода ПСМ связано с необходимостью учета эффектов реального газа при решении задач высотной аэротермодинамики В приложении к методу ПСМ в понятие "эффекты реального газа'1 принято включать разнообразные аспекты, связанные с неупругими столкновениями молекул
-обмен энергией между поступательными, вращательными и колебательными степенями свободы молекул в столкновениях,
-химические реакции в газовой фазе, а именно реакции диссоциации и обмена (в подавляющем большинстве задач динамики разреженного реакции рекомбинации несущественны и поэтому не рассматриваются в настоящей работе),
- взаимодействие заряженных частиц с нейтральными и между собой
Перечисленные выше физико-химические процессы оказывают существенное влияние на высокоскоростные разреженные течения Поэтому для иссле-
дования таких течений методом ПСМ выбор моделей для описания эффектов реального газа является принципиальным моментом
В континуальной газовой динамике эффекты реального газа описываются на уровне макроскопических констант скоростей процессов Данные макроскопические модели не могут быть непосредственно использованы в методе ПСМ, где для моделирования необходимо определить сечение (или вероятность) элементарного акта как функцию состояний сталкивающихся молекул и определить закон перераспределения энергии в процессе столкновения Данные по сечениям элементарных актов, полученные из эксперимента, квантовомеханических или квазиклассических расчетов, существуют только для ограниченного числа процессов По этой причине в методе ПСМ традиционно используются модели, специально разработанные для этого метода
Целью работы является создание моделей метода ПСМ для описания эффектов реального газа в задачах высотной аэротермодинамики В работе проводится
анализ и отбор существующих моделей метода ПСМ,
разработка ряда новых моделей и создание эффективных численных алгоритмов для них,
анализ применимости моделей на основе экспериментальных данных по неравновесным разреженным течениям
численное исследование задач, в которых существенны эффекты реального газа, а именно задачи о структуре релаксационной зоны в смеси CO2/N2 и задачи об истечении ионизованной струи из стационарного плазменного двигателя
На защиту выносятся следующие результаты, составляющие научную новизну работы
модель для описания неравновесной высокотемпературной диссоциации в методе ПСМ, основанная на решении обратной задачи для двухтемператур-ной константы скорости реакции,
модификация модели Ларсена-Боргнакке для описания колебательно-колебательных (VV) переходов в методе ПСМ, результаты численного исследования релаксационных процессов в азоте, колебательно возбужденном лазерным излучением,
результаты исследования гиперзвукового обтекания клина в околоконтинуальном режиме, валидация моделей эффектов реального газа для метода ПСМ сравнением с экспериментальными данными по величине отхода головной ударной волны (УВ),
результаты исследования на кинетическом уровне структуры релаксационной зоны за головной У В в химически-реагирующей смеси CO2/N2,
5 результаты исследования истечения ионизованных струй российских электрореактивных двигателей управления СПД-100 и "Атон" в космическое пространство и в вакуумную камеру, результаты совместного статистического моделирования струи и остаточного газа в вакуумной камере
Практическая ценность Модели и созданные для них численные алгоритмы включены в программную систему SMILE для расчетов методом ПСМ, разработанную в ИТПМ СО РАН Данный вычислительный инструментарий используется для расчетов струй двигателей управления и аэротермодинамики высотного полета КА в нескольких аэрокосмических организациях
Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается внутренними методическими исследованиями, согласованием результатов с экспериментальными данными и численными результатами, полученными с использованием других методов
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на ряде всероссийских и международных конференций, в том числе на Международных симпозиумах по динамике разреженного газа (2000, 2002, 2004, 2006 гг), Международных симпозиумах по ударным волнам (2004 и 2007 гг), Международных конференциях по методам аэрофизических исследований (2002 и 2007 гг), Всероссийском семинаре "Кинетическая теория и динамика разреженных газов" (2002 г), различных международных конференциях и конгрессах американского института аэронавтики и астронавтики AIAA (2000, 2001, 2002, 2004, 2007 гг), Всероссийских конференциях молодых ученых "Теория, эксперимент и новые технологии" (2001, 2002 и 2003 гг), Научной конференции "Фундаментальные и прикладные вопросы механики" (2006 г), 51-м международном семинаре по современным проблемам и возможностям вакуумной газовой динамики (2007 г), Международной конференции "XVIII сессия Международной школы по моделям механики сплошной среды" (2007 г), а также на семинарах ИТПМ СО РАН под руководством академика В М Фомина, ИТ СО РАН под руководством академика А К Реброва и ИМ СО РАН под руководством академика С К Годунова
Публикации. По теме диссертации опубликована 21 печатная работа в реферируемых журналах и трудах международных конференций
Личный вклад автора При выполнении работ по теме диссертации диссертант принимал активное участие в постановке задач, обсуждении результатов, подготовке печатных работ и докладов на конференциях Основные результаты диссертации получены лично автором либо при непосредственном участии автора Им реализованы численные алгоритмы всех представленных в работе моделей и проведены расчеты методом ПСМ всех рас-
смотренных в работе задач Результаты совместных работ представлены в диссертации с согласия соавторов
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы из 170 наименований Полный объем работы - 190 стр , включая 95 рисунков
