Гиперзвуковое обтекание затупленных тел в условиях атмосферы Земли и Марса. Сравнительный анализ математических моделей


Авторы

Ревизников Д. Л.*, Сухарев Т. Ю.*

Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), 125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, д. 4

*e-mail: reviznikov@inbox.ru

Аннотация

Движение летательных аппаратов с гиперзвуковой скоростью сопровождается многообразием взаимосвязанных физико-химических процессов, протекающих в ударном слое. Возможности наземных экспериментальных исследований гиперзвуковой аэротермодинамики ограничены сложностью воспроизведения реальных условий по всем параметрам подобия. Применительно к движению летательных аппаратов в атмосфере Марса необходимо учитывать эрозионное воздействие двухфазного потока на обтекаемую поверхность. К настоящему времени разработаны достаточно точные алгоритмы, реализованные в CFD программных кодах. Однако полный учетмногообразия физико-химических процессов в ударном слое существенно усложняет вычислительный процесс. В этой связи актуальным представляется выбор компромиссных моделей, обеспечивающих достаточную точность при приемлемых вычислительных затратах. В настоящей работе проводится сравнительный анализ математических моделей газовой среды с позиций теплового и эрозионного (для атмосферы Марса) воздействия гиперзвукового потока на обтекаемое тело. Рассматриваются модели химическинеравновесного газа и совершенного газа с эффективным показателем адиабаты. Тепловой поток, вычисленный по модели совершенногогаза, во всех рассчитанных вариантах близок к тепловому потоку для абсолютно-каталитической поверхности, оставаясь немного выше этой величины. При этом время расчета по химически-неравновесной модели в несколько раз превышает время аналогичного расчета по модели совершенного газа, а при приближении к условиям химического равновесия это отличие усиливается в связи с повышением жесткости системы уравнений химической кинетики. Если при расчете тепловых нагрузок модель совершенного газа дает сильнозавышенные оценки в случае существенно неравновесного ударного слоя на поверхностяхс низкой каталитической активностью, то применительно к расчету эрозионного воздействия эта модель является достаточно точной. Показано, что в широком диапазоне размеров дисперсной фазы отличие в определении скорости частиц в момент соударения с обтекаемой поверхностью, рассчитанной по моделям химически неравновесного газа и совершенного газа с эффективным показателем адиабаты, не превышает 7%. Результаты, полученные в ходе проведенных вычислительных экспериментов, позволяют более эффективно проводить многовариантный анализ и траекторные расчеты, что актуально при проектировании теплозащитных конструкций летательных аппаратов, движущихся с гиперзвуковой скоростью.

Ключевые слова:

гиперзвуковое обтекание, численное моделирование, уравнения Навье–Стокса, тепловой поток, модель химически неравновесного газа, модель совершенного газ, химическая кинетика, двухфазный поток, запыленная атмосфера

Библиографический список

  1. Гиперзвуковая аэродинамика и тепломассообмен спускаемых космических аппаратов и планетных зондов. / Под ред. Г.А. Тирского.М.: Физматлит, 2011. 548 c.

  2. VivianiA., Pezzella G. Aerodynamic and Aerothermodynamic Analysis of Space Mission Vehicles. Springer International Publishing Switzerland, 2015. 898p.

  3. МихатулинД.С., ПолежаевЮ.В., РевизниковД.Л. Тепломассообмен. Термохимическое и термоэрозионное разрушение тепловой защиты. М.: ЯНУС-К, 2011. 520 с.

  4. Михатулин Д.С., Полежаев Ю.В., Ревизников Д.Л. Исследование разрушения стеклопластика при полете в запыленной атмосфере // Теплофизика высоких температур. 2001. Т. 39. № 4. С. 640‒648.

  5. Михатулин Д.С., Полежаев Ю.В., Ревизников Д.Л. Исследование разрушения углеродного теплозащитного материала при полете в запыленной атмосфере // Теплофизика высоких температур. 2003. Т. 41. № 1. С. 98‒105.

  6. Суржиков С.Т., Шувалов М.П. Тестирование расчетных данных по радиационному и конвективному нагреву спускаемых космических аппаратов нового поколения // Теплофизика высоких температур. 2013. Т.51. № 3. С. 456‒470.

  7. Шевелев Ю.Д., Сызранова Н.Г. Влияние химических реакций на теплопередачу в пограничном слое // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2010. Т. 10. № 2.С. 91‒126.

  8. Егоров И.В., Никольский B.C. Вязкие гиперзвуковые течения для различных аэрофизических моделей // Известия РАН. МЖГ. 1996. № 4. С. 151‒161.

  9. Быков Л.В., Никитин П.В., Пашков О.А. Моделирование обтекания сферического тела гиперзвуковым потоком // Тепловые процессы в технике. 2015. Т. 7. № 2. С.50‒56.

  10. Лапин Ю.В. Турбулентный пограничный слой в сверхзвуковых потоках газа. М.: Наука, 1982. 312с.

  11. Гурвич Л.В., Вейц И. В., Медведев В.А. и др. Термодинамические свойства индивидуальных веществ: справочное издание в 4-х томах. М.: Наука, 1982.

  12. Park С., Howe J., Jaffe R. Review of chemical-kinetic problems of future NASA mission, II: Mars entries // J. Thermophys. Heat Transfer. 1994. V. 8. N 1. P.9–23.

  13. Widhopf G.F., Wang J.C.T. A TVD finite-volume technique for nonequilibriumchemically reacting flows // AIAA Paper. 1988. N 88-2711.

  14. Henderson C.B.Drag coefficients of spheres in continuum and rarefied flows. // AIAA Journal. June 1976. V. 14.N 6.P. 707‒708.

  15. Ревизников Д.Л., Способин А.В. Численное моделирование воздействия дисперсной фазы на поверхность затупленного тела в сверхзвуковом запыленном потоке // Математическое моделирование. 2007. T. 19. № 11. С. 101–111.

  16. Ershova T.V., Mikhatulin D.S., Reviznikov D.L., Sposobin A.V., Vinnikov V.V.Numerical simulation of heat and mass transfer between heterogeneous flow and an obstacle // Computational Thermal Sciences. 2011. V.3. N1. P. 15–30.

  17. Ревизников Д.Л., Способин А.В, Сухарев Т.Ю. Численное моделирование обтекания затупленного тела сверхзвуковым полидисперсным потоком // Теплофизика высоких температур. 2017. Т. 55. № 3.С. 418–425.

  18. Wood W. A., Eberhardt S. Dual-code solution strategy for chemically-reacting hypersonic flows // AIAA Paper. 1995. N 95-0158.

  19. Сахаров В.И., Тирский Г.А. Модель частичного химического равновесия для решения задач гиперзвукового обтекания тел вязким газом. Использование модели частичного химического равновесия в марсианской атмосфере. В кн. Гиперзвуковая аэродинамика и тепломассообмен спускаемых космических аппаратов и планетных зондов. М.: Физматлит, 2011. C. 248–274.

  20. Гидаспов В.Ю., Северина Н.С. Элементарные модели и вычислительные алгоритмы физической газовой динамики. М.: Факториал, 2014. 84 с.



Скачать статью

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2018-2024