KAPPA - программный комплекс для исследования физико-химических свойств сильнонеравновесных реагирующих смесей газов

Кустова Е. В.
Исследование поддержано СПбГУ, проект 6.37.206.2016, 2016-2018.

За последние годы коллективом кафедры гидроаэромеханики СПбГУ были построены строгие математические модели течений реагирующих газов в различных условиях отклонения от равновесия, характерных для входа в атмосферы планет. Модели включают системы уравнений, описывающих динамику и кинетику газа; для замыкания этих систем необходим расчет термодинамических свойств, коэффициентов вязкости, теплопроводности, диффузии, коэффициентов скорости физико-химических процессов при сильных отклонениях от равновесия. Для всех этих величин методами кинетической теории были построены теоретические модели и предложены алгоритмы расчета.

В результате был накоплен огромный объем информации, которую, однако, сложно было использовать при решении конкретных задач неравновесной аэромеханики. И тогда возникла идея создания единого программного инструмента, включающего наиболее современные базы данных свойств веществ, модули расчета всех коэффициентов переноса и коэффициентов скорости реакций в различных приближениях кинетической теории, от самого детального поуровнего приближения (в котором каждое колебательное состояние молекулы рассматривается как отдельный химический сорт) до простой однотемпературной модели.

Проект создания такого программного комплекса был реализован в рамках программы фундаментальных и прикладных исследований СПбГУ, выполняемых совместно с зарубежными учеными из стран BRICS. Партнером выступила группа исследователей из федерального университета штата Парана (Куритиба, Бразилия) под руководством профессора Жильберто М. Кремера. Со стороны СПбГУ проектом руководила профессор кафедры гидроаэромеханики Е.В. Кустова. Архитектура программного продукта и основные идеи его реализации предложены аспирантом кафедры гидроаэромеханики Г.П. Облапенко. В разработке и тестировании программного комплекса были заняты более 15 студентов и аспирантов кафедры. За время работы над проектом участники проекта О.В. Кунова и Г.П. Облапенко прошли стажировку в Федеральном университете штата Парана в рамках стипендиальной программы СПбГУ и Банка Сантандер.

В проекте разработан программный комплекс KAPPA (Kinetic Approach to Processes in Planetary Atmospheres), который позволяет проводить расчеты термодинамических свойств, коэффициентов переноса и скоростей физико-химической релаксации в произвольных неравновесных смесях газов. Комплекс предназначен для интегрирования в программные коды для моделирования неравновесных потоков газа; может использоваться в исследовательских и учебных целях.

kappa

KAPPA – некоммерческий программный продукт с открытым кодом, находится в свободном доступе Это позволяет легко поддерживать и совершенствовать программный комплекс, расширяет возможности для совместной работы с другими научными коллективами. Наша команда продолжает улучшать существующие модули и дополнять комплекс новыми.

Область применения программного комплекса:

  • Сверх- и гиперзвуковая аэродинамика
  • Химические и плазменные технологии
  • Лазерная физика
  • Наука об окружающей среде

Особое внимание уделяется:

  • Простоте использования
  • Численной устойчивости
  • Реализации наиболее современных теоретических моделей и точных алгоритмов

В результате работы над проектом было зарегистрировано 5 программ и баз данных для ЭВМ, опубликовано более 20 статей в высокорейтинговых изданиях.

Некоторые публикации по проекту: