Моделирование сильнонеравновесных течений смесей газов, составляющих атмосферы Земли и Марса, с помощью новых подходов кинетической теории

Нагнибеда Е. А.
Исследование поддержано РФФИ, проект 18-01-00493.

Проект направлен на решение фундаментальной проблемы современной физико-химической аэродинамики: применение строгих методов кинетической теории газов для решения актуальных газодинамических задач. В 2018 г. исследованы течения реагирующих смесей газов, составляющих атмосферы Земли и Марса, на основе новых моделей неравновесной колебательной и химической кинетики, с учетом неравновесных распределений молекул по уровням вращательной и колебательной энергии, электронного возбуждения и ионизации. Характерной особенностью подхода, развиваемого в проекте, является то, что он основан на строгих методах кинетической теории газов. Это позволило учесть сильные отклонения от равновесия при выводе уравнений для макропараметров потока и разработать модели расчета коэффициентов скорости переходов энергии и химических реакций, входящих в уравнения кинетики и необходимые для решения многих практических задач.

Течения пятикомпонентного воздуха за ударными волнами и в соплах разной формы исследованы на основе детального поуровневого описания с учетом диссоциации, рекомбинации, обменных реакций образования молекул NO (О.В. Кунова, Е.А. Нагнибеда, К.В. Папина). Важным новым результатом является построение эффективных теоретических и численных моделей для расчетов коэффициентов скорости образования молекул NO в разных колебательных состояниях (Е.В. Кустова, А.С. Савельев). До последнего времени в большинстве работ этот эффект не учитывался.

Поуровневое описание смесей, содержащих молекулы углекислого газа, требует решения очень большого числа уравнений для заселенностей колебательных уровней трех типов колебаний молекул СО2. Для решения этих уравнений необходимо знание зависящих от колебательных уровней трех мод коэффициентов скорости переходов энергии и реакций, число которых достигает нескольких тысяч. В настоящее время используются очень упрощенные подходы к решению этой проблемы, оценка точности которых затруднена из-за недостатка экспериментальных или строго полученных расчетных данных. В Проекте предложен эффективный подход к вычислению коэффициентов скорости энергообменов при столкновениях молекул углекислого газа, основанный на параллельных вычислениях, который планируется использовать в дальнейшем (В.И. Гориховский).

Менее вычислительно затратный подход основан на использовании многотемпературных распределений при численном моделировании течений СО2. В Проекте этот подход применялся в расчетах течений смесей СО2/CO/O2/O/C и СО2/CO/O в релаксационной зоне за ударными волнами, возникающими у поверхностей космических аппаратов при их входе в атмосферу Марса (А.А. Косарева, Е.А. Нагнибеда).

В Проекте будут также рассмотрены ионизованные молекулярные и атомарные смеси, содержащие атомарный углерод, в поуровневом приближении. Планируется разработка и применение детальных поуровневых моделей, установление пределов их применимости. (В.А. Истомин, Е.В. Кустова).

Также планируется использование ранее созданных программ расчета пространственных течений вязкого сжимаемого газа на неструктурированных сетках методом контрольного объема, расчет тестовых задач и сравнение результатов с имеющимися экспериментальными данными (А.Г. Карпенко).