Научный отчет № 5312

Название: Создание гибридных универсальных математических моделей для решения задач гиперзвуковой аэродинамики и теплообмена во всем диапазоне чисел Рейнольдса (чисел Кнудсена). (Заключительный).
Авторы: Сахаров В.И., Тирский Г.А., Брыкина И.Г., Лохин В.В., Егорова Л.А., Пилюгин Н.Н., Лебедева Л.Л.
Аннотация: Целью исследования является: - создание теоретических основ и газодинамических моделей для описания процессов и течений, протекающих в ударном слое около тел, входящих в атмосферы Земли и Марса в континуальном и переходном режимах их обтекания; - численное моделирование течений около гиперзвуковых ЛА и спускаемых КА, расчёт их аэродинамических характеристик и теплообмена с поверхностями; - численное моделирование процессов и течений в трактах наземных высокоэнтальпийных установок (индукционных ВЧ - плазмотронов), в истекающих из них струях различных газов, обтекания такими струями моделей, расположенных в рабочих трактах установок, исследование каталитических свойств теплозащитных покрытий поверхностей ЛА; - разработка приближенных методов и аналитических решений (простых формул) для расчета теплопередачи и трения при двумерном и пространственном обтекании тел; - предсказание механических и физических параметров движения метеороидов, в том числе, их разрушения и «взрыва». В процессе пятилетней работы: Проведено численное моделирование течений в разрядных каналах ВЧ-плазмотронов ВГУ-4 (ИПМехРАН) и АДТ ВАТ-104 (ЦАГИ) с использованием уравнений Навье-Стокса, Максвелла и однотемпературной химически неравновесной модели газовой среды. Разработана методика экспериментально-расчётного определения к.п.д. установки АДТ ВАТ-104. Проведенное сравнение расчетных и экспериментальных данных по тепловым потокам и давлению на поверхности сферически затупленного конуса при его обтекании недорасширенными воздушными струями в установке АДТ ВАТ-104 показало их хорошее совпадение. Проведенное численное исследование и сравнение с экспериментом по давлению и тепловым потокам в точке торможения на цилиндрической модели с плоским торцом в недорасширенных струях углекислого газа в широком диапазоне рабочих параметров 100-киловаттного ВЧ-плазмотрона ВГУ-4 показало хорошее соответствие экспериментальных и расчетных данных. Параметры входа тел сферической формы в атмосферы Марса (Земли) с гиперзвуковыми скоростями пересчитаны из условий обтекания недорасширенными струями углекислого газа (воздуха) цилиндрической модели с торцевым затуплением в ВЧ-плазмотроне, что позволило экстраполировать измеренный в экспериментах тепловой поток в точке торможения модели с произвольной каталитичностью теплозащитного покрытия на условия гиперзвукового обтекания затупленных тел. Проведено численное моделирование в рамках уравнений Рейнольдса гиперзвукового обтекания пространственной компоновки: "сферически затупленный конус цилиндр – оперение" потоком вязкого совершенного газа с учетом турбулентности. Сравнение рассчитанных тепловых потоков на поверхности с результатами трубного эксперимента дало удовлетворительное согласие. Изучено влияние объемной вязкости в задачах о структуре прямой ударной волны и сверхзвукового обтекания затупленного тела разреженным газом. Показана важность учёта коэффициента объемной вязкости для более точного описания структуры ударной волны и правильного предсказания тепловых потоков к телам. Оценены точность, области применимости, достоинства и недостатки различных подходов при исследовании задач гиперзвукового обтекания затупленных тел вязким разреженным газом в переходном от континуального к свободномолекулярному режиме: континуальных моделей, метода прямого статистического моделирования Монте-Карло и решений кинетического уравнения с интегралом столкновений в виде BGK модели и S-модели. Показана возможность применения разработанных асимптотически согласованных моделей тонкого и полного вязкого ударного слоя для расчета теплопередачи и трения на лобовой поверхности затупленных тел, при гиперзвуковом обтекании их разреженным газом в переходном режиме. Получены аналитические решения для коэффициентов теплопередачи, трения и давления на лобовой поверхности пространственных тел, обтекаемых гиперзвуковым потоком разреженного газа при малых числах Рейнольдса. Получены аналитические выражения для теплового потока, нормированного на его значение в точке торможения, применимые при обтекании гиперзвуковым потоком химически реагирующего газа пространственных затупленных тел с идеально-каталитической поверхностью при больших и умеренных числах Рейнольдса. Проведено моделирование разрушения метеороидов при их движении в атмосфере Земли. В рамках предложенной двухстадийной модели разрушения рассмотрены наблюдаемые данные полета крупных болидов. Получено распределение осколков по размерам при разрушении метеороида и построен график светимости при его движении, что позволило объяснить наблюдаемый эффект "концевой вспышки". Проведено исследование электронной концентрации и температуры в ближнем следе за конусом при его сверхзвуковом обтекании разреженным потоком воздушной плазмы.
Год публикации: 2016 г.
Объём: 32 с.
Научный руководитель: Сахаров В.И., Тирский Г.А.
Ключевые слова: гиперзвуковая аэротермодинамика; разреженный газ, континуальные методы; обтекание тел; теплопередача; вязкий ударный слой; математическое моделирование; численные и аналитические методы; уравнения Навье-Стокса и Рейнольдса; ВЧ-индукционный плазмотрон; термонапряженное состояние; разрушение метеороидов.