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

Статистическое моделирование эффектов реального газа в разреженных течениях Гимельшейн, Сергей Феликсович

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

Гимельшейн, Сергей Феликсович. Статистическое моделирование эффектов реального газа в разреженных течениях : автореферат дис. ... кандидата физико-математических наук : 01.02.05.- Новосибирск, 1995.- 24 с.

Введение к работе

Актуальность темы. В последние годы большое внимание привлекает к себе исследование аэродинамики космических аппаратов на высотах 80-120 км. В первую очередь это связано с проектированием и созданием нового поколения космических транспортных систем, значительная часть траектории которых лежит в области больших высот. При обтекании таких аппаратов определяющими являются эффекты разреженности и сильной термохимической неравновесности газа.

Поскольку экспериментальное моделирование подобных высокоэнтальпийных сильно неравновесных течений затруднительно как с технической, так и с экономической точки зрения, то практически единственным средством для получения достоверных данных являются численные методы аэродинамики разреженного газа. Существует целый ряд методов для решения аэродинамических задач, и выбор того или иного подхода зависит, как правило, от степени разреженности исследуемого течения. Разреженность течения традиционно характеризуется числом Кнудсена Кп, которое определяется как отношение средней длины свободного пробега молекул А к характерной длине L. При числах Кнудсена Кп < 0.01 обычно применяются подходы, основанные на решении уравнений Навье-Стокса. Известно, что уравнения Навье-Стокса не применимы для расчета течений газа при Кп > 0.01, поскольку распределение скоростей частиц в таких разреженных течениях, в особенности в ударных волнах, становится существенно неравновесным. Поэтому для численного решения задач динамики разреженного газа для чисел Кп > 0.01 необходимо рассматривать непосредственно уравнение Больцмана.

Аналитическое решение уравнения Больцмана возможно лишь для некоторых простейших случаев. Для решения более сложных задач в основном применяются следующие численные подходы:

1. Подход, основанный на решении модельных кинетических уравнений. В настоя
щее время он практически не используется для решения прикладных задач динамики
разреженного газа.

  1. Метод прямого численного интегрирования уравнения Больцмана. Основным недостатком этого подхода является существенная зависимость его трудоемкости от размерности задачи и, как следствие, весьма ограпнчешюе использование для решения трехмерных задач.

  2. Метод прямого статистического моделирования (ПСМ). Фактически, в настоящее время этот метод стал основным инструментом для исследования сложных многомерных течений разреженного газа. Это обусловлено рядом его очевидных достоинств: сравнительной простотой перехода от одномерных к двух- и трехмерным задачам; возможностью использования различных моделей взаимодействия частиц газа, в том числе и моделей внутренних степеней свободы молекул и химических реакций, без значительного усложнения вычислительного алгоритма; возможностью эффективного применения метода на современных компьютерах с параллельной и векторной архитектурой.

Как показывает опыт последних лет, к настоящему времени основные усилия исслелователей в методе ПСМ направлены не на разработку новых численных схем (фактически, используемые сейчас численные схемы метода ПСМ довольно близки как по эффективности, так и в плане численной реализации), а на создание и применение моделей для метода ПСМ, позволяющих учитывать эффекты реального газа.

Под эффектами реального газа в методе ПСМ понимается влияпне на картину те-

чсііия модели межмолокулярных столкновений в целом. Эффекты реального газа для метода ПОМ. таким образом, касаются следующих аспектов: потенциал межмолекулярного взаимодействия; вращательные степени свободы молекул; колебательные степени свободы молекул; химические реакции в газовой фазе.

Известно, что при исследовании гиперзвукового обтекания космических аппаратов на высотах 90 км и ниже такие эффекты становятся все более существенными. Этому способствует образование высокотемпературной области за головной ударной волной и связанные с ней химичесие процессы и возбуждение колебательных степеней свободы, а также поступательно-вращательное неравновесие, характерное для разреженных течений. Поэтому при использовании для исследования этих течений метода ПСМ выбор адекватной модели газа является принципиальным моментом.

Цель настоящей работы состоит в исследовании и разработке моделей для описания внутренних степеней свободы молекул и химических реакций в методе ПСМ и их применении для расчета сильно неравновесных химически реагирующих течений разреженного газа.

Научная новизна. В диссертации:

разработан численный алгоритм движущейся измерительной сетки для решения задачи о структуре ударной волны;

выполнен анализ влияния статистической зависимости частиц на результаты моделирования; разработаны критерии для оценки величины этой зависимости и реализован алгоритм ее уменьшения;

предложены и реализованы модели колебательных степеней свободы молекул для метода ПСМ;

разработан численный алгоритм моделирования течений смесей химически реагирующих газов;

представлены модели химических реакций для метода ПСМ.

Научная и практическая ценность полученных результатов заключается в следующем:

проведено исследование влияния угловой и притягивающей части потенциала межмолекулярного взаимодействия на структуру течения и функцию распределения внутри ударной волны;

изучено влияние возбуждения колебательных степеней свободы, а также многоквантовых колебательных переходов и ангармонизма колебаний, на аэродинамику выпуклых и вогнутых тел;

выполнены расчетные исследования обтекания плоских тел химически реагирующим газом и показано влияние на аэродинамику химической модели и учета колебатслыю-диссоционного взаимодействия.

Проведенные в работе исследования различных задач аэродинамики разреженного газа с учетом физико-химических процессов расширили и углубили понимание особенностей гиперзвуковых сильно неравновесных разреженных течений, в которых существенную роль играют эффекты реального газа.

Достоверность полученных результатов подтверждается многочисленными внутренними тестами, сравнением с аналитическими решениями и сопоставлениями с результатами расчетов других авторов и имеющимися экспериментальными данными.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на

XVII (1990, Германия), XVIII (1992, Канада), XIX (1991, Англия) международных симпозиумах по динамике разреженного газа;

1 Европейской конференции по вычислительной аэродинамике (1992, Бельгия);

5 международной конференции AIAA/DGLR по аэрокосмическим и гиперзвуковым технологиям (1993, Германия),

международном коллоквиуме Евромех 342 (1995, Германия),

а также конференциях молодых ученых в ИТПМ СО РАН, семинаре ИТНМ СО РАН, семинарах универгитетов г. Кайзерслаутерна и Аахена (Германия) и в INRIA (Франция).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы из 135 наименований. Полный объем -191 стр., в том числе 162 стр. текста и 29 стр. рисунков.