Тема: Численное моделирование гиперзвуковых течений с использованием неравновесных моделей воздуха

Гиперзвуковое течение газа - сложное явление, сопровождающееся рядом осо­бенностей, среди которых значительный рост температуры за фронтом голов­ной ударной волны, сильное торможение потока внутри ударного слоя и аэроди­намический нагрев поверхности. Такие процессы возникают в результате дви­жения газа со скоростью, превышающей в пять раз скорость звука. Гиперзву­ковые потоки газа могут быть созданы в различных условиях, например, при полете космических аппаратов в атмосфере Земли или при испытаниях гипер­звуковых летательных аппаратов.
Одной из особенностей гиперзвукового течения газа является возникнове­ние ударной волны, которая формируется перед телом, движущимся с гипер­звуковой скоростью. При этом газ сжимается и нагревается до очень высоких температур.
Исследования гиперзвуковых течений газа является необходимыми для раз­вития ракетостроения и аэродинамики. Гиперзвуковые двигатели и летатель­ные аппараты позволяют достигать очень высоких скоростей, это особенно ак­туально для космических полетов и исследований других планет.
Таким образом, исследование данного явления необходимо для развития различных областей науки и техники. Его изучение и развитие технологий свя­занных с гиперзвуковыми потоками газа позволяют расширять границы нашего знания и открывать новые возможности для человечества.
Экспериментальное моделирование таких явлений является достаточно слож­ным и затратным с точки зрения ресурсов и времени процессом, а зачастую воз­можность полного моделирования условий натурного обтекания в ударных тру­бах и совсем исключается. С развитием электронно-вычислительной техники и в связи с перечисленными выше причинами методы численного моделирования приобретают важное значение. При этом стоит сказать, что сравнение с имею­щимися результатами экспериментов, приобретает важное значение и является ключевым при оценке качества математической модели.
При исследовании гиперзвуковых потоков газов мы должны учитывать зна­чительное влияние химических реакций, которые происходят в газе, что явля­ется отличием от сверхзвуковых потоков. Помимо этого, важным является учет внутренних степеней свободы молекул, так как они существенно влияют на ха­рактеристики потока.
Важную роль при моделировании гиперзвукового потока играет выбор газо­вой смеси. В данной работе использовалась 5-компонентная воздушная смесь. Численное моделирование гиперзвуковых течений связано с использованием сложной математической модели, включающей уравнения, описывающие про­странственное течение вязкого сжимаемого газа, уравнения модели турбулент­ности, уравнения состояния, уравнения химической кинетики. Таким образом, по сравнению с моделью совершенного газа, неравновесные модели обсуждае­мые в этой работе значительно сложнее, время на расчет до сопоставимой точ­ности занимает в десятки больше времени, при этом приближение результатов к экспериментальным данным составляет порядка 10 %.
В данной работе обсуждается построение и реализация математической мо­дели, предназначенной для численного моделирования гиперзвукового обтека­ния сферы с учетом неравновесных физико-химических процессов, протекаю­щих в высокотемпературном воздухе. Численное моделирование осуществляет­ся с использование программного комплекса Ansys Fluent.
Основной целью работы является исследование зависимости безразмерной толщины ударного слоя от скорости входного потока на основе данных, по­лученных в результате численных расчетов с использованием неравновесных моделей течения газа, и сравнение данного результата с экспериментальными данными и моделью совершенного газа.
Рассматриваются следующие модели:
1. Однотемпературная модель химической кинетики
2. Двухтемпературная модель химической кинетики
3. Модель совершенного газа
Результаты численного моделирования c применением данных моделей срав­ниваются с экспериментами. Работа выполнялась в рамках гранта Рос­сийского научного фонда, по результатам исследований были сделаны следую­щие публикации.
Купить

Проведено моделирование задачи гиперзвукового обтекания сферы воздухом с использованием двухтемпературной модели неравновесной химической ки­нетики с 5-ти компонентным реагирующим воздухом. Были взяты начальные данные из работ. Модели с учетом физико-химических процессов, про­текающих в газе, также сравнивались с моделью совершенного газа(без учета физико-химических процессов). Для решения данной задачи были построены 3 варианта вычислительной сетки и был сделан анализ сеточной сходимости, который показал, что оптимальное количество ячеек вычислительной сетки - 170000. Данная сетка использовалась в дальнейших расчетах. В качестве мето­да решения задачи о распаде произвольного разрыва в связи с рекомендациями, был выбран метод AUSM, семейство данных методов является лучшим вы­бором при решении задач с сильными ударными волнами.
Исследована зависимость толщины ударного слоя от числа Маха на входной области. Произведено сравнение результатов расчета с использованием двух­температурной и однотемпературной моделей с моделью совершенного газа и экспериментальными данными. Для двухтемпературной модели приведены по­ля распределения для газодинамических параметров в двух точках, было про­изведено сравнение полей распределения в зависимости от входных данных.
В целом, результаты, полученные с использованием модели совершенного газа без учета физико-химических процессов, показывают достаточно завышен­ные показатели толщины ударного слоя. Таким образом, в таких задачах, как, например, гиперзвуковое обтекание летательного аппарата при входе в атмо­сферу Земли необходимо применять более сложные модели, включающие в се­бя большее число уравнений. Хоть данный подход и является более затратным с вычислительной стороны, он дает значительно лучшее совпадение с экспери­ментальными данными.
Работа была проделана в рамках гранта, финансируемого Российским науч­ными фондом. Большинство полученных результатов были опубликованы.
Купить