Создание континуально-кинетических моделей и эффективных численных алгоритмов решения задач аэродинамики и теплообмена в широком диапазоне чисел РейнольдсаНИР

Creating continuous-kinetic models and effective numerical algorithms for solving problems of aerodynamics and heat transfer in a wide range of Reynolds numbers

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 11 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Создание континуально-кинетических моделей и эффективных численных алгоритмов решения задач аэродинамики и теплообмена в широком диапазоне чисел Рейнольдса
Результаты этапа: На индукционном плазмотроне ВГУ-4 при различных расходах газа (2.4 и 3.6 г/с) и мощностях ВЧ-генератора по анодному питанию (45 и 64 кВт) проведены эксперименты по измерению давления торможения в высокоэнтальпийных недорасширенных сверхзвуковых струях азота, истекающих из звуковых сопел диаметром 30 и 40 мм при давлении в барокамере 10.4 гПа. Измерены давления торможения и тепловые потоки к водоохлаждаемым поверхностям меди, нержавеющей стали, графита МПГ-7 и кварца в критической точке цилиндрической модели с плоским торцом диаметром 20 мм, обтекаемой высокоэнтальпийными недорасширенными сверхзвуковыми струями азота, истекающими из водоохлаждаемых звуковых сопел с диаметрами выходного сечения 30 и 40 мм при давлении в барокамере 10.4 гПа в четырех режимах работы плазмотрона ВГУ-4. Экспериментально продемонстрирован эффект сильного влияния каталитической рекомбинации атомов азота на тепловой поток к охлаждаемой поверхности. Тепловой поток к высококаталитичным поверхностям меди и нержавеющей стали в четыре раза превышает тепловой поток к поверхности кварца. Установлена качественная каталитическая шкала материалов по отношению к гетерогенной рекомбинации атомов N: медь ~ нержавеющая сталь > графит > кварц. Для тех же четырех режимов ВЧ-плазмотрона ВГУ-4 численно решены задачи о течении неравновесной плазмы азота в разрядном канале и в пространстве, ограниченном стенками барокамеры и поверхностью модели. Экспериментальные и расчетные данные по тепловым потокам к высоко каталитическим холодным поверхностям и давлению в точке торможения на цилиндрической модели с плоским носком в первой сверхзвуковой зоне недорасширенной струи диссоциированного азота удовлетворительно согласуются. В задаче трехмерного гиперзвукового обтекания разреженным газом затупленных тел получено асимптотическое решение для числа Стэнтона и коэффициентов трения и давления в зависимости от параметров обтекания и формы тела. Решение представлено в инвариантном относительно выбора системы координат виде. При стремлении числа Рейнольдса к нулю решения для числа Стэнтона, коэффициентов полного трения и давления приближается к значениям в свободномолекулярном режиме обтекания при единичном коэффициенте аккомодации. Показана удовлетворительная точность аналитического решения в переходном режиме гиперзвукового обтекания, оценены границы его применимости. Разработана теоретическая кинетическая модель для определения влияния уноса оксида молибдена на концентрацию электронов и их температуру в ближнем следе за конусом при сверхзвуковом обтекании потоком разреженной плазмы. В задаче о движении и фрагментации крупных метеороидов в атмосфере Земли даны выражения для коэффициента теплопередачи и оценки областей определяющего влияния конвективных и радиационных тепловых потоков в континуальном режиме; рассмотрено энерговыделение на заключительном этапе движения метеороида с концевой вспышкой. Показано, что разрушение метеороида приводит к образованию его горячего следа, представляющего собой высокотемпературный газ, нагретый за счет потери кинетической энергии образовавшихся осколков. Рассчитана средняя температура в этом следе. В расчетах распределение осколков метеороида по массе было выбрано в соответствии с предложенной моделью двустадийного дробления.
2 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Создание континуально-кинетических моделей и эффективных численных алгоритмов решения задач аэродинамики и теплообмена в широком диапазоне чисел Рейнольдса
Результаты этапа: Проведено: - численное моделирование течений азота в канале плазмотрона ВГУ-4 в широкой области параметров эксперимента (энерговклада в плазму, расхода газа в разрядном канале, давления в барокамере); - численное моделирование обтекания моделей цилиндрической формы с торцевым затуплением в недорасширенных сверхзвуковых струях азота; - численное моделирование обтекания и теплообмена образцов в форме дисков в потоке воздушной плазмы для условий экспериментов в АДТ ВАТ-104; В задаче трехмерного гиперзвукового обтекания затупленных тел при больших и умеренных числах Рейнольдса получены аналитические выражения для теплового потока, отнесенного к его значению в точке торможения, зависящие от инвариантных геометрических параметров, а также выражения, зависящие от геометрии и давления на поверхности, имеющие более широкую область применимости. На основании сравнений с численными решениями для многокомпонентного химически неравновесного воздуха на высотах от 90 до 50 км траектории спуска космического аппарата в атмосфере Земли показано, что полученные формулы применимы для расчета относительного теплового потока на идеально каталитической поверхности тел, обтекаемых гиперзвуковым потоком химически реагирующего газа. В задаче входа в атмосферу крупных метеороидов: Получены аналитические решения уравнений физической теории метеоров в предположении, что масса метеороида убывает быстрее, чем его скорость, для уноса его массы и изменения кинетической энергии вдоль траектории. С использованием этих решений рассмотрено взаимодействие с атмосферой Челябинского метеороида, построена его световая кривая и проведено сравнение с данными наблюдений. Получены аналитические решения уравнений физической теории метеоров в предположении, что коэффициент абляции, равный отношению коэффициента теплопередачи к эффективной теплоте уноса массы, зависит только от скорости, для изменения массы, скорости и кинетической энергии метеороида до начала его разрушения. Проведены уточняющие расчеты температуры газа, нагретого частицами метеороида при его взрывоподобном разрушении с учетом абляции частиц.
3 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Создание континуально-кинетических моделей и эффективных численных алгоритмов решения задач аэродинамики и теплообмена в широком диапазоне чисел Рейнольдса
Результаты этапа: Из сравнения экспериментальных данных по тепловым потокам, полученных на установке ВГУ-4 (ИПМмехРАН) при обтекании воздухом сферически затупленной цилиндрической модели с плоским срезом и рассчитанных в рамках уравнений Навье-Стокса для условий экспериментов определены значения эффективного коэффициента рекомбинации атомарных компонентов на поверхности водоохлаждаемых датчиков из различных металлов и кварца и установлена количественная шкала каталитичности рассмотренных металлов и кварца. В рамках уравнений Навье-Стокса и химически неравновесной модели воздуха проведено численное моделирование течений в установке АДТ ВАТ-104 (ЦАГИ), а также параметрические исследования обтекания дисков из керамики. Из условия совпадения рассчитанных и экспериментально измеренных величин тепловых потоков определена константа скорости гетерогенной рекомбинации материала его поверхности. Проведенное сопоставление рассчитанных и экспериментальных значений яркостной температуры показало их хорошее совпадение. Получены простые приближенные аналитические решения уравнений физической теории метеоров при постоянном параметре абляции на начальном участке траектории метеороида. По этим решениям можно оценить высоту начала разрушения в атмосфере крупного метеороида в зависимости от его прочности и его массу на этой высоте. Разработана модель фрагментации крупного метеороида на облако фрагментов и паров, движущихся с единой ударной волной. Получена формула для определения скорости расширения раздробленного метеороида в поперечном движению направлении. Проведен анализ литературных данных по радиационным тепловым потокам к затупленным телам, движущимся со сверхорбитальными скоростями. Получено аппроксимационное выражение для коэффициента теплопередачи в некотором диапазоне параметров, характерном для движения в атмосфере крупных метеороидов, таких как Челябинский. Анализ литературных данных по классификации выпавших частиц по размерам при их разлете после разрушения метеороида позволил выбрать модель, наилучшим образом согласующуюся с наблюденными данными.
4 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Создание континуально-кинетических моделей и эффективных численных алгоритмов решения задач аэродинамики и теплообмена в широком диапазоне чисел Рейнольдса
Результаты этапа: 1. С помощью разработанной расчетно-экспериментальной методики определена каталитическая активность образцов из сверхвысокотемпературной керамики на основе диборида гафния. В ЦАГИ на гиперзвуковой аэродинамической трубе ВАТ-104, оснащенной высокочастотным индукционным подогревателем газов, проведены исследования обтекания и нагревания керамических дисков при температурах поверхности до 3000 К. Для условий экспериментов на плазмотроне АДТ ВАТ-104 (ЦАГИ) в рамках уравнений Навье-Стокса проведено численное моделирование обтекания этих моделей химически неравновесной воздушной плазмой. Сопоставлением расчётных и экспериментальных значений тепловых потоков к поверхности диска определена каталитическая активность керамического материала. (Сахаров В.И.). В задаче о движении крупного метеороида в атмосфере определена зависимость температуры в облаке горячего газа, образовавшегося при внезапном разрушении метеороида, от его скорости, размера, высоты разрушения и угла наклона траектории по отношению к горизонту. Сделан обзор и анализ имеющихся в литературе экспериментальных данных и теоретических моделей распределения осколков разрушенного тела (метеороида) по размерам. Получено приближенное аналитическое решение уравнений физической теории метеоров для метеороида, движущегося как единое тело, в зависимости от плотности атмосферы и начальных параметров. Исследована его область применимости путем сравнения с численным решением. Сделан обзор, анализ и сравнение результатов численных расчетов радиационных тепловых потоков и аппроксимационных соотношений в широком диапазоне высот, скоростей и размеров обтекаемых тел с неразрушающейся поверхностью. Получена новая корреляционная зависимость радиационного теплового потока в точке торможения неразрушающегося тела от плотности атмосферы, скорости и радиуса. Оценена ее точность. Исследовано влияние абляции на радиационный нагрев крупных метеороидов на основании анализа литературных данных. Получено выражение для среднего по поверхности тела коэффициента радиационной теплопередачи с введением фактора неопределенности, учитывающего влияние опережающего излучения, поглощение излучения слоем паров, неопределенность оптических свойств горячего воздуха и паров и др. Исследовано влияние неопределенности коэффициента радиационной теплопередачи на изменение массы и кинетической энергии крупного дробящегося метеороида и его нормированную световую кривую с помощью численного моделирования взаимодействия с атмосферой Челябинского болида.
5 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Создание континуально-кинетических моделей и эффективных численных алгоритмов решения задач аэродинамики и теплообмена в широком диапазоне чисел Рейнольдса
Результаты этапа: Выполнены численные оценки соответствия тепловых потоков в точках торможения при обтекании модели дозвуковыми струями высокоэнтальпийного воздуха в ВЧ-плазмотроне и при входе затупленных тел со сверхзвуковой скоростью в атмосферу Земли, когда параметры этих качественно разных течений связаны условиями локального моделирования. Для холодных стенок подтверждено подобие нормализованных тепловых потоков во всем диапазоне эффективного коэффициента каталитической рекомбинации атомов при выполнении условий моделирования. Расчетами для условий экспериментов на ВЧ-плазмотроне и для соответствующих параметров входа в атмосферу Земли установлено, что температура равновесно радиационной стенки с хорошей точностью моделируется в дозвуковых струях высокоэнтальпийного воздуха для высо-кокаталитических поверхностей и с удовлетворительной точностью - для низкокаталитических. Разработан программный комплекс для расчета внутренних течений совершенного газа с использованием уравнений Навье-Стокса в осесимметричном варианте и при отсутствии плоскости симметрии в течениях газа при углах атаки и скольжения. Проведена верификации и валидации аэродинамических коэффициентов сил и моментов. Представлены тестовые расчеты внутренних осесимметричных течений газа и при наличии углов атаки и скольжения. Разработана модель разрушения метеороида в атмосфере на множество фрагментов, движущихся независимо: получено соотношение для плотности распределения числа фрагментов по массам и с его использованием выписаны интегральные выражения для потери массы и выделенной кинетической энергии раздробленного метеороида. Проведено тестирование моделей разрушения в атмосфере метеороида на множество фрагментов, движущихся с общей ударной волной: предложенной ранее двухпараметрической модели и более простых по сравнению с ней моделей, на примере моделирования взаимодействия с атмосферой Челябинского болида. Показано, что принятое в литературе ограничение бокового расширения облака фрагментов в разных моделях не улучшает результаты моделирования. Показано, что двухпараметрическая модель и развитая простая модель дают наилучшее согласие с данными наблюдений. Создана и протестирована программа расчета методом Рунге-Кутты расширенных уравнений физической теории метеоров, учитывающих силу тяжести и криволинейность траектории, для определения скорости, уноса массы и изменения кинетической энергии метеороида, движущегося как единое тело. На основании результатов расчетов методом Рунге-Кутты для метеорных тел разной массы, входящих в атмосферу под разными углами, оценено влияние изменения угла наклона траектории на характеристики взаимодействия метеороида с атмосферой. Показано, что при расчете массы и энерговыделения метеороида его траекторию можно считать прямолинейной. Показано, что учет криволинейности траектории оказывает существенное влияние на саму траекторию, поэтому ее важно учитывать для оценки мест выпадения метеоритов при определении районов поиска выпавших фрагментов разрушенных космических тел. Разработан и протестирован численно-аналитический метод решения уравнений физической теории метеоров для единого тела, позволяющий использовать полученные ранее при постоянном параметре абляции аналитические решения в случае переменного вдоль траектории параметра абляции.
6 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Создание континуально-кинетических моделей и эффективных численных алгоритмов решения задач аэродинамики и теплообмена в широком диапазоне чисел Рейнольдса
Результаты этапа: Выявлена сложная газодинамическая структура осесимметричного обтекания специально сконструированной цилиндрической державки с графитовым образцом в носовой части. Из сравнений величин тепловых потоков, полученных в расчетах и экспериментах при использовании ряда звуковых сопел, устанавливаемых на выходе из разрядного канала. можно заключить, что эффективная вероятность рекомбинации атомов азота на поверхности графита в рассмотренных диапазонах параметров фактически не зависит от размеров выходных диаметров сопел, от температуры поверхности, от давления торможения и равна γwN =0.1. В целом экспериментальные данные по тепловым потокам к поверхности графита в точке торможения с точностью 5% согласуются с расчетными и в сверхзвуковых потоках диссоциированного азота, в отличие от дозвуковых течений, графит нужно рассматривать как среднекаталитичный материал. При исследовании теплообмена в недорасширенных струях диссоциированного воздуха на трех медных водоохлаждаемых цилиндрической моделях диаметром dm = 20 мм при использовании сопла с выходным сечением диаметром 40 мм расхождение расчета с экспериментом для всех рассмотренных моделей не превышало 7%. Для сопла с диаметром выходного сечения D = 50 мм наиболее существенное отклонение эксперимента от расчета наблюдалось на модели со скругленной кромкой и плоским притуплением носовой части и составило 12.6%. При этом для двух других моделей отклонение эксперимента от расчета находилось в пределах 7-8%, что допустимо с учетом оценки погрешности метода измерений с использованием стационарных проточных датчиков теплового потока в 5-10% . Оценено влияние неопределенности задания параметра абляции (коэффициента теплопередачи) в уравнениях метеорной физики на скорость, унос массы, энерговыделение и траекторию метеороида или его фрагментов, движущихся как единое тело. Показано, что задание коэффициента теплопередачи оказывает значительное влияние на результаты моделирования таких практически важных характеристик пролета метеорного тела, как энерговыделение вдоль траектории, его конечная масса и места падения метеоритов. Оценено влияние задания коэффициента теплопередачи на применимость моделей разрушения метеороида на облако фрагментов, движущихся с общей ударной волной: двухпараметрической модели, учитывающей изменения формы и плотности облака, и простых моделей, не учитывающих эти эффекты. Показано, что при использовании простых моделей фрагментации коэффициент теплопередачи сильно влияет на результаты расчета энерговыделения Челябинского болида, особенно на высоту, где достигается его максимум. Для простых моделей найден оптимальный коэффициент в уравнении, описывающем расширение облака фрагментов, в зависимости от коэффициента теплопередачи, при котором достигается совпадение расчетной высоты пика яркости болида с наблюдательной. Найдены значение параметра неопределенности в выражении для коэффициента теплопередачи и постоянное его значение, при которых применение двухпараметрической модели и оптимальной простой модели дает наилучшее согласование с данными наблюдений для кривой энерговыделения Челябинского метеороила и оценки его массы при входе в атмосферу. Показано, что полученная формула для кумулятивного распределения фрагментов разрушенного тела по массам удовлетворительно описывает результаты ударных экспериментов, моделирующих разрушение астероидов при их столкновении в космическом пространстве, при катастрофическом разрушении тела. С использованием найденных в литературе каталогов построены распределения по массам собранных метеоритов после пролета и разрушения в атмосфере пяти крупных метеороидов и показано, что формула для кумулятивного числа фрагментов удовлетворительно описывает эти распределения.
7 1 января 2022 г.-31 января 2022 г. Создание континуально-кинетических моделей и эффективных численных алгоритмов решения задач аэродинамики и теплообмена в широком диапазоне чисел Рейнольдса
Результаты этапа:
8 1 января 2023 г.-31 января 2023 г. Создание континуально-кинетических моделей и эффективных численных алгоритмов решения задач аэродинамики и теплообмена в широком диапазоне чисел Рейнольдса
Результаты этапа:
9 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. Создание континуально-кинетических моделей и эффективных численных алгоритмов решения задач аэродинамики и теплообмена в широком диапазоне чисел Рейнольдса
Результаты этапа:
10 1 января 2025 г.-31 декабря 2025 г. Создание континуально-кинетических моделей и эффективных численных алгоритмов решения задач аэродинамики и теплообмена в широком диапазоне чисел Рейнольдса
Результаты этапа:

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".