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 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.
2 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.
3 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.
4 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. Создание континуально-кинетических моделей и эффективных численных алгоритмов решения задач аэродинамики и теплообмена в широком диапазоне чисел Рейнольдса
Результаты этапа: Проведены расчеты в рамках уравнений НС и эксперименты на установках ВГУ-4(ИПМЕХ РАН) и АДТ-104(ЦАГИ) по обтеканию образцов из ультравысокотемпературной керамики на основе HfB2+SiC+Grafen. Исследована каталитичнозличныхсть этих материалов в широком диапазоне параметров работы установок. Получена низкая каталитичность керамических материалов. Получено соотношение для распределения фрагментов разрушенных космических тел (астероидов при их столкновении в космическом пространстве, метеороидов и астероидов, входящих в атмосферу Земли) по массам при ограничениях на минимальную и максимальную массу и степенном законе для плотности вероятности. Показано, что оно хорошо описывает результаты высокоскоростных и низкоскоростных ударных экспериментов, моделирующих фрагментацию астероидов. Описаны результаты большого числа экспериментов по разрушению тел разной формы и массы, из земных материалов с разной прочностью (базальты, гипс, пирофиллит, алюмооксидная керамика, цементные смеси, агрегатные тела), в широком диапазоне скоростей соударения и при различных типах фрагментации. Построены и аналитически описаны с применением степенного закона распределения по массам фрагментов разрушенных при взаимодействии с атмосферой метеорных тел, собранных после выпадения каменных метеоритных дождей. Оценено влияние эффективной теплоты уноса массы на траекторию, скорость, массу и энерговыделение пролетающего сквозь атмосферу метеороида или его фрагментов путем численного решения уравнений метеорной физики для тел с разной начальной массой.
5 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. Создание континуально-кинетических моделей и эффективных численных алгоритмов решения задач аэродинамики и теплообмена в широком диапазоне чисел Рейнольдса
Результаты этапа: 1.Для условий экспериментов на ВЧ-плазмотроне ВГУ-4 экспериментально и численно исследован теплообмен сверхзвуковых недорсширенных струй диссоциированного воздуха с поверхностью цилиндрической водоохлаждаемой модели диаметром 30 мм со скругленной кромкой и плоским притуплением носовой части. Для измерения тепловых потоков использовались плоские калориметрические датчики диаметром 13.8 мм, встроенные в носовую часть модели. Использованы девять датчиков из различных материалов: золота (Au), серебра (Ag), меди (Cu), молибдена (Mo), бериллия (Be), тантала (Ta), ниобия (Nb), кварца и керамики (HfB2+SiC). Получены зависимости теплового потока в критической точке модели к различным материалам как функции мощности анодного питания ВЧ-генератора. Наибольшие тепловые потоки зарегистрированы на датчиках из серебра и меди, что свидетельствует о высокой каталитичности поверхностей из этих материалов, причем у серебра каталитичность выше, чем у меди. Вторая группа материалов – золото, тантал, бериллий, молибден и ниобий. Эти материалы оказались близки по уровню зарегистрированных тепловых потоков. Реализуемые потоки для них ниже, чем у меди и серебра. Материалы можно отнести к среднекаталитическим, причем наименьший тепловой поток для материалов второй группы отмечен у молибдена. Минимальные тепловые потоки реализован для датчиков из керамики и кварцевых, причем их величина зависит от толщины тепловоспринимающей стенки калориметров. Кварц и керамика могут быть отнесены к низкокаталитическим материалам. 2.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 высококаталитических поверхностей и с удовлетворительной точностью − для низкокаталитических. 3.Предложена постадийная модель гетерогенной кинетики взаимодействия диссоциированного воздуха с поверхностью меди на основе методов квантовой механики и теории переходного состояния. Выполнено численное моделирование обтекания медной водоохлаждаемой цилиндрической модели со сферической носовой частью в недорасширенных сверхзвуковых струях высокоэнтальпийного воздуха в рамках уравнений Навье  Стокса многокомпонентным неравновесно-диссоциированным воздухом с учетом химических реакций в потоке и на холодной поверхности для условий экспериментов на индукционном ВЧ-плазмотроне ВГУ-4 (ИПМех РАН) по теплообмену. Проведено сравнение численных решений по химическому составу газа и по тепловым потокам на поверхности полусферического датчика для различных граничных условий на поверхности, основанных как на модели Гуларда, так и на модели, предложенной в данной работе. 4. Проведено численное моделирование уравнений метеорной физики при разных способах задания коэффициента теплопередачи и удельной теплоты абляции и при разных начальных скоростях метеорного тела. Произведена оценка влияния неточности задания коэффициента теплопередачи и удельной теплоты абляции на погрешность моделируемых характеристик взаимодействия метеороидов с атмосферой: траектории, скорости, уноса массы и энерговыделения, при разных параметрах входа в атмосферу 5. Проведено с применением выведенной формулы описание распределений по массам фрагментов разрушенных образцов метеоритов, полученных в высокоскоростных ударных экспериментах, моделирующих разрушение астероидов при их столкновении, для случаев фрагментации типа ядра и полной фрагментации. 6. Построены и аналитически описаны распределения по массам фрагментов метеоритных дождей, выпавших после разрушения в атмосфере влетевших в нее небесных тел, в частности, Сихотэ-Алинского железного метеоритного дождя.
6 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:
7 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".