Разработка программного комплекса для расчета макропараметров, коэффициентов переноса и потоковых членов в различных задачах газодинамики, с учетом влияния сильной неравновесности, химических реакций, ионизации и электронного возбуждения

Истомин В. А.
Исследование поддержано РНФ, проект №17-69-00004, 2017-2019 гг.

Для изучения скоростей химических реакций и коэффициентов переноса в многокомпонентных газовых смесях были разработаны многочисленные программные пакеты, такие как EGLIB, Mutation, SoVA, Cantera, EquilTheTA и др. В дополнение к ним, или в виде отдельного программного продукта, используются различные базы данных о термодинамических свойствах и неравновесных скоростях реакций: NIST Chemistry Webbook (содержит данные о спектроскопических и термодинамических свойствах множества атомов и молекул, включая ионизированные), Phys4Entry database (содержит данные о скоростях неупругих процессов), ChemKin (содержит данные о скоростях химических реакций), и др. Несмотря на большое количество программных пакетов, посвященных вычислению коэффициентов переноса, только SoVA и EquilTheTa могут учитывать электронное возбуждение, но лишь для равновесных смесей. Остальные упомянутые пакеты используют различные упрощенные модели для расчета транспортных свойств, такие как формула Эйкена, закон Фика и др. При этом в базах данных представлены в основном константы скоростей химических реакций для основных и первых нижних электронных состояний.

Коллектив кафедры гидроаэромеханики СПбГУ с 2016 года развивает программные инструменты, в которых реализуются новейшие модели кинетики и процессов переноса, разработанные в наших теоретических работах для условий сильных отклонений от равновесия. Так, программный комплекс KAPPA позволяет рассчитывать коэффициенты скорости реакций и коэффициенты переноса в воздухе в наиболее детальном приближении поуровневой кинетики. Однако в KAPPA не были реализованы возможности учета электронного возбуждения и ионизации. Отличительной особенностью данного проекта является строгий учет электронных состояний атомов и молекул, а также заряженных компонентов.

Проект направлен на создание цифрового программного комплекса, позволяющего моделировать физико-химические процессы в сильнонеравновесных течениях реагирующих газов методами кинетической теории процессов переноса и релаксации (в том числе в поуровневом приближении для атомарных и молекулярных компонент), с учетом больших объемов данных по электронным уровням и химическим реакциям. Программный комплекс позволяет проводить численные расчеты физических свойств, макропараметров газа, коэффициентов переноса и потоковых членов в условиях различных отклонений от равновесия (в том числе в сильнонеравновесных гиперзвуковых потоках реагирующих газов), с целью определения режимов, характерных для минимизации сопротивления и тепловой нагрузки на летательные аппараты.

Основной интерфейс программного комплекса PAINeT.

Программный комплекс PAINeT (Planet Atmosphere Investigator of Non- Equilibrium Thermodynamics, рус. "Пейнет") состоит из баз данных и нескольких модулей, написанных на языке C#. Программный комплекс позволяет производить расчет физических свойств, макропараметров, коэффициентов переноса, потоковых членов, времен релаксации, скоростей переходов внутренней энергии и химических реакций в многокомопонентных смесях в условиях сильной термохимической неравновесности в различных приближениях кинетической теории (однотемпературное, поуровневое колебательное, поуровневое электронно- колебательное, поуровневое электронное) для использования в различных вычислительных приложениях газовой динамики. Для расчета коэффициентов переноса и потоковых членов используются строгие самосогласованные формулы кинетической теории. PAINeT взаимодействует с двумя специально созданными базами данных: базой физических свойств атомов и молекул, и базой химических реакций, которые вместе с модулями расчетов физических свойств, макропараметров, коэффициентов переноса и потоковых членов могут применяться для использования в расчетах высокотемпературных и высокоэнтальпийных течений, а также для течений с инверсивной заселенностью частиц (например, в лазерных технологиях). В программном комплексе реализован модуль для хранения и загрузки данных в графической и табличной формах. Работа с программным комплексом не требует знания языка программирования C#, что позволяет использовать комплекс как в инженерных расчетах, так и в научно-образовательной деятельности.