Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Метод численного моделирования течений разреженного газа и его применение для расчета электрофизических устройств Шагайда, Андрей Александрович

Данная диссертационная работа должна поступить в библиотеки в ближайшее время
Уведомить о поступлении

Диссертация, - 480 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Шагайда, Андрей Александрович. Метод численного моделирования течений разреженного газа и его применение для расчета электрофизических устройств : автореферат дис. ... кандидата физико-математических наук : 01.02.05 / Моск. физ.-техн. ин-т (гос. ун-т).- Москва, 2000.- 18 с.: ил. РГБ ОД, 9 00-6/2453-3

Введение к работе

Актуальность работы. Интерес к проблеме моделирования потоков разреженного газа в устройствах формирования и ускорения потоков заряженных частиц обусловлен возрастающим количеством задач, в которых обеспечение надежной работы установки не ограничивается единственным требованием создания в области ускорения необходимого вакуума. В тех случаях, когда одним из существенных факторов, определяющих режим и эффективность работы устройства, является взаимодействие пучка заряженных частиц с молекулами нейтрального газа, возникает проблема оптимальной организации газового потока.

В ионных ускорителях с источниками ионов газоразрядного типа электрическая прочность ускоряющих промежутков, а также суммарные потери ионов, происходящие в результате неупругих столкновений с молекулами натекающего газа, существенным образом зависят от распределения давления по ускорительному тракту. Обеспечение электрической прочности ускорителей требует расчета распределения концентрации нейтрального газа в области высоких напряженностей электрического поля.

При создании газовых и плазменных нейтрализаторов для преобразования ускоренных ионных пучков в пучок быстрых нейтральных частиц газовое течение необходимо сформировать таким образом, чтобы в области нейтрализации была обеспечена необходимая концентрация частиц, и в то же время их поток в область ускорения был минимальным.

В электроракетных двигателях с замкнутым дрейфом электронов параметры газового разряда определяют важнейшие характеристики двигателя, такие как угловая расходимость плазменной струи и тяговый КПД. Достоверное моделирование процессов, происходящих в плазме газового разряда, невозможно без расчета пространственного распределения скорости и концентрации потока разреженного газа.

Расчеты потоков разреженного газа в последние годы все чаще используются при исследовании . газодинамических свойств ускорительных систем электростатических ионных двигателей. Это вызвано тем, что разрушение электродов ионно-оптических систем обусловлено процессами взаимодействия ускоряемых ионов с атомами нейтрального газа. Эрозия электродов является одним из наиболее существенных факторов, определяющих ресурс ионных двигателей. В соответствии с современными требованиями ресурс ионных двигателей должен составлять 10 и более лет. Лабораторные ресурсные испытания ионных двигателей в течение 10.000 и более часов крайне дорогостоящи и сопряжены с большими техническими трудностями. В этой ситуации численные модели становятся незаменимым инструментом, позволяющим анализировать различные варианты

о,

технических решений и прогнозировать ресурсные характеристики перед разработкой и испытанием двигателей.

Целью работы является разработка эффективного и экономичного метода расчета потоков разреженного газа в областях со сложной конфигурацией граничных поверхностей в свободномолекулярном и переходном режимах. Исследуются возможности достижения максимальной универсальности метода для единообразного сквозного расчета газовых потоков в широком диапазоне чисел Маха и Кнудсена. Особое внимание уделено повышению быстродействия алгоритмов, что дает возможность их использования при комплексных численных исследованиях электрофизических устройств.

Научная новизна работы.

  1. Выведено модельное уравнение с неоднородным интегралом столкновений, позволяющее вести сквозной расчет потоков разреженного газа в дозвуковом и сверхзвуковом режимах. Комплексное использование предложенного уравнения совместно с точным модельным уравнением обеспечивает автоматическое выделение кнудсеновских слоев и многократное ускорение расчета при малых числах Кнудсена.

  2. Выведено модельное уравнение для описания потоков многоатомных газов с молекулами, обладающими вращательными степенями свободы. Уравнение правильно описывает релаксацию вращательной энергии молекул к равновесному значению. В отличие от более сложных уравнений, полученных другими авторами, предложенное уравнение обеспечивает скорость вычислений, не уступающую скорости вычислений потоков одноатомных газов, и в то же время позволяет эффективно учитывать внутреннюю энергию молекул.

  3. Проведена оптимизация алгоритма решения кинетического уравнения методом интегральных итераций. Выявлена зависимость параметров численной схемы от величины скоростного отношения, при которой обеспечивается выбранная точность вычислений. Предложен алгоритм вычисления интегралов в пространстве направлений, при котором в каждом узле расчетной сетки заданная точность вычислений обеспечивается при минимальных затратах расчетного времени.

  4. Разработан комплекс прикладных программ, позволяющий моделировать ионно-оптические и газодинамические характеристики ионных ускорителей и электроракетных двигателей. Предложен приближенный метод, позволяющий моделировать трехмерную картину эрозии электродов ионных двигателей, не прибегая к решению трехмерной задачи.

Практическая ценность полученных результатов состоит в том, что они позволяют численно исследовать и оптимизировать работу электрофизических устройств перед проведением дорогостоящих разработок и испытаний.

В частности:

применение разработанных алгоритмов позволило определить величину газовой эффективности источника отрицательных ионов водорода, при которой обеспечивается электрическая прочность высоковольтного ускорителя;

разработанный комплекс прикладных программ, позволяет моделировать ионно-оптические и газодинамические характеристики ионных двигателей и дает возможность значительно снизить материальные и технические затраты при проведении их ресурсных испытаний;

результаты моделирования течения нейтрального газа в ускорителе с замкнутым дрейфом электронов позволили определить условия обеспечения однородности газового потока в ускорительном канале.

На защиту выносятся:

  1. Модельное уравнение с неоднородным интегралом столкновений, позволяющее вести сквозной расчет потоков разреженного газа в дозвуковом и сверхзвуковом режимах.

  2. Модельное уравнение для описания потоков многоатомных газов с молекулами, обладающими вращательными степенями свободы.

  3. Методика оптимизации алгоритма решения модельного кинетического уравнения.

  4. Результаты численного моделирования потоков разреженного газа при решении задач внешнего обтекания тел и расчетах внутренних течений в электрофизических устройствах.

Апробация работы и научные публикации.

Результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах отдела 120 ИЦ им. М.В.Келдыша; на конференции молодых ученых МФТИ; 26-й международной конференции по электроракетным двигателям. Основное содержание и результаты диссертационной работы изложены в 3-х печатных работах и в 6-ти технических отчетах.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, 4-х глав и заключения, содержит 123 машинописных листа, включающих 37 рисунков, 1 таблицу и список использованной литературы из 111 наименований.