Содержание
Стр.
Введение 4
Обзор литературы 11
ГЛАВА 1. Газодинамические и кинетические модели неравновесного течения газа. Постановка задачи 23
1.1 Колебательная релаксация. 25
1.2. Колебательно - диссоциационное взаимодействие. 28
1.3 Процессы диссоциации и обменные реакции. 40
1.4 Реакции ионизации и обмена зарядом. 41
1.5 Возбуждение электронных состояний молекул. 42
1.6 Модель излучения. 45
1.7 Расчет структуры ударных волн. 46
1.8 Математическая постановка для полных уравнений Навье-Стокса с выделением ударной волны и физико-химическими превращениями. 48
Заключение по главе I. 57
ГЛАВА 2. Численный анализ и верификационные исследования элементов кинетических моделей. 58
Раздел 1. Верификационные исследования кинетических моделей для условий входа в атмосферу Земли. 2.1 Влияние выбора модели колебательной релаксации. 60
2.2 Влияние выбора модели колебательно-диссоциационного взаимодействия на неравновесное излучение воздуха в ударном слое. 66
2.3 Верификация моделей ионизационных процессов на основе сравнения с летным экспериментом ИАМ по измерению электронных концентраций . 74
/
Раздел 2. Верификационные исследования кинетических моделей для условий входа в атмосферу Марса. 2.4 Верификация на основе экспериментов в электроразрядной ударной трубе. 78
2.5 Верификация кинетики ионизации. 79
2.6 Верификация кинетики излучения. Численные модели кинетики излучения в молекулярных спектрах 88
Заключение к главе II 97
ГЛАВА 3 Численное моделирование ионизационно излучательпых процессов в условиях гиперзвукового обтекания тел. 98
Раздел 1. Численное моделирование неравновесных течений для условий входа в атмосферу Земли. 3.1 Численное моделирование концентрации электронов около затупленных конусов. 98
3.2 Численное моделирование неравновесного излучения при обтекании затупленного конуса. 104
Раздел 2. Численное моделирование неравновесных течений для условий входа в атмосферу Марса. 3.3 Определение характеристик течения в релаксационной зоне за фронтом ударной волны. 112
3.4 Численное моделирование термофизических параметров обтекания конических аппаратов в условиях входа в атмосферу Марса. 120
Заключение к главе III. 131
Выводы по диссертации. 132
Список литературы 134
Приложение А 142
Приложение В 145
3
Введение
Важной задачей, возникающей при проектировании гипсрзвуковых летательных аппаратов (ГЛА), осуществляющих полет в атмосфере Земли и космических аппаратов (КА), в полетных сценариях которых планируется вход в атмосферу планет Солнечной системы (например, Марса), является развитие эффективных способов определения аэродинамических, тепловых и аэрофизических характеристик их обтекания. К аэрофизическим характеристикам можно отнести излучательные характеристики, необходимые для определения лучистых тепловых потоков или решения задач оптической заметности и ионизационные характеристики течения в ударном слое (УС) на плазменном участке входа в атмосферу, необходимые для решения задач радиосвязи с ГЛА.
При скорости входа ЛА в атмосферу свыше 3 км/с температура за головной ударной волной столь высока, что в ударном слое происходят многочисленные физико-химические процессы, протекающие с определенными скоростями и характеризующиеся различными временами релаксации. В зависимости от соотношения времен релаксации и характерного газодинамического времени течения газа, физико-химические процессы в ударном слое около ЛА могут быть близкими к равновесным, неравновесными или «замороженными». Современные ЛА, входящие в атмосферу планет, обладают, как правило, аэродинамическим качеством и при использовании современной чехнологии аэродинамическое торможение аппарата происходит на относительно больших высотах, на участке планирующего полета, с целью снижения максимальной величины аэродинамических и тепловых нагрузок. При этом значительная часть траектории полета характеризуется неравновесным характером протекания физико-химических процессов в ударном слое около ЛА. Извесч но, что неравновесное высокоскоростное обтекание ЛА в современных аэродинамических трубах полностью не моделируется. Экспериментальные исследования в этом случае ограничиваются частным, приближенным
4
моделированием отдельных фрагментов неравновесного течения (например, процесс за прямой ударной волной, неравновесный теплообмен в окрестности критической точки, ионизационные процессы в ближнем следе за ГЛА). Поэтому, особое значение приобретает развитие численного моделирования обтекания ГЛА и КА в условиях высокоскоростного полета. Практика проведения расчетных исследований в этой области быстро развивается, начиная с 60-х годов прошлого века. Однако до сих пор существуют проблемы, требующие разрешения.
Одним из наиболее важных вопросов, возникающих при численном моделировании неравновесного обтекания аппарата при гиперзвуковом полете в атмосфере, является выбор модели протекания физико-химических превращений в высокотемпературной газовой смеси, образующейся в ударном слое. Физико-химические превращения в многокомпонентной газовой смеси, состоящей из атомов, молекул, ионов и электронов, имеют сложный характер и в настоящее время их учет возможен лишь с использованием модельного описания.
Это описание не всегда полностью адекватно происходящим в полетных условиях процессам, что, естественно, может приводить к неточностям в определении параметров, характеризующих газотермодинамику течения в ударном слое около аппарата. В связи с этим особую актуальность приобретает верификация кинетических численных моделей в ходе летного и трубного экспериментов. Для условий гиперзвукового полета в воздухе такие верификационные исследования проводятся в последние годы в США, Европе, Японии и России. Эти исследования привлекли новую волну интереса к разработке моделей физико-химических процессов и кинетики реакций в высокотемпературном воздухе. Результатом этих исследований явились новые модели кинетики реакций диссоциации, колебательной релаксации, вращательно-колебательного взаимодействия, вращательной релаксации, колебательно - диссоционного взаимодействия, обменных реакций (в том числе с участием колебательно-электронно-возбужденных молекул), реакций обмена
зарядом, ионизационных и излучательных процессов. Практически полностью пересмотрен фундамент неравновесных физико-химических превращений, созданный мировой наукой в 60-70-х годах. В ходе проведенных исследований созданы модели, позволяющие в ряде случаев получать наиболее интересные с практической точки зрения характеристики обтекания аппаратов сложной конфигурации при гиперзвуковом полете в атмосфере Земли. Однако необходимый процесс верификации исследований далеко не завершен. Это обусловлено как сложностью и многообразием физико-химических процессов, для численных моделей которых нужны верификационные исследования, так и различными аспектами моделирования. Так, например, при численном моделировании неравновесной конвективной теплопередачи, важно провести верификационные исследования процессов в пристеночной области и на обтекаемой поверхности, не рассматривая подробно неравновесные процессы около фронта ударной волны. Но в случае численного моделирования лучистою теплового потока, излучательных характеристик ударного слоя в решении задач оптической заметности и для расчета прохождения через пего радиоволн, необходимо верифицировать неравновесные процессы во всем ударном слое и в релаксационной зоне около ударной волны.
Разрабатываемые в настоящее время концепции исследования атмосфер планет Солнечной системы поставили аналогичные задачи описания неравновесных физико-химических превращений в условиях входа спускаемого аппарата в атмосферу планет в менее изученных и, зачастую, более сложных газовых смесях. Программа изучения термофизических процессов в ударном слое около аппарата, входящего в Марсианскую атмосферу, является одной из них. Отсутствие однозначных данных по особенностям физико-химических процессов в условиях входа в Марсианскую атмосферу и невозможность постановки специальных летных экспериментов, аналогичных проведенным в атмосфере Земли, делает особенно важным исследование неравновесных термофизических процессов в смесях и условиях, моделирующих параметры
6
входа аппарата в атмосферу Марса, с использованием данных верификационных экспериментов в лабораторных установках.
Цедыо настоящей диссертационной работы является:
• Численный анализ влияния выбора отдельных важных элементов кинетической модели на параметры неравновесного течения в ударном слое для условий входа в атмосферы Земли и Марса.
• Проведение верификационных исследований на основе сравнения результатов численного моделирования с данными стендовых и летных экспериментов.
• Численные исследования особенностей неравновесных из л у нательных и ионизационных характеристик течений при полете ГЛА в атмосфере Земли со скоростью до 8 км/с.
Численное моделирование неравновесных лучистых тепловых потоков для условий входа КА в атмосферу Марса.
Научная новизна.
Новыми в диссертационной работе являются следующие положения и результаты:
Используя результаты летных экспериментов по программам Bow Shock и RAM (США) было установлено, что отбор элементов кинетической модели позволяет удовлетворительно согласовать результаты экспериментов и численного расчета и сделать выбор в пользу определенных моделей колебательной релаксации, колебательно-диссоциационного взаимодействия и ассоциативной ионизации для численного моделирования ионизационно -излучательных процессов в условиях гиперзвукового полета в атмосфере Земли.
При верификации элементов кинетических моделей, соответствующих условиям входа в марсианскую атмосферу, на основе сравнения результатов, полученных при экспериментах в электроразряд ной ударной трубе, и на основе численного моделирования удалось уточнить константы скоростей
7
Достоверность результатов.
Достоверность результатов диссертационной работы определяется верификацией численных моделей стендовыми и летными экспериментами и сравнением их с расчетами других авторов.
Основные положения, выносимые на защиту.
На защиту выносятся следующие основные результаты:
Выбор отдельных элементов кинетических моделей на основе сравнения ионизационных и излучательных характеристик обтекания тел в численном расчете и летном эксперименте при входе в атмосферу Земли.
Верификация элементов кинетических моделей для условий входа в атмосферу Марса на основе сравнительного анализа данных лабораторных и численных экспериментов.
Численное моделирование некоторых особенностей ионизационных и излучательных неравновесных процессов в ударном слое для условий полета в атмосфере Земли со скоростью до 8 км/с.
Численное исследование излучательных процессов для условий входа в атмосферу Марса и прогноз величин неравновесных конвективных и лучистых тепловых потоков к поверхности космического аппарата.
Апробация работы.
Основные результаты и положения, изложенные в диссертации, докладывались на 21-st International Symposium on Rarefied Gas Dynamics (Marseille, France, 1998), Conference Thermal Plasma Processes-5 (1998, St.-Petersburg, Russia), 9-th International Conference on the Methods of Aero physical Research (1998, Novosibirsk), 3-rd European Symposium on Aerothermodynamics for Space Vehicles, ESTEC (Noordwijk, The Netherlands, 1998), 8-ом Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Пермь, 2001), школе-семинаре молодых ученых и специалистов “Актуальные проблемы аэрокосмической
9
науки” (Жуковский, 2001), 4-the European Symposium. Aerotermodynamics for Space Application (Capua, Italy, 2001), 2-ой международной школе-семинаре “Модели и методы аэродинамики” (Евпатория, Украина, 2002), 2-ой международной научно-техническая конференции молодых ученых и специалистов “Современные проблемы аэрокосмической науки и техники” (Жуковский, 2002), 5-th Chineese-Russian Conference on Hypersonic Flows (Shanghai, China, 2002), международной конференции “Системы и технологии будущего изучения и освоения космического пространства” (Москва, 2003), 4-th European Workshop on Radiation (Lisbon, Portugal, 2003), 3-ей международной школе-семинаре “Модели и методы аэродинамики” (Евпатория, 2003).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ.
10
Обзор литературы
Как уже отмечалось во Введении, для численного моделирования обтекания тел в высокоскоростном полете необходимо с достаточной точностью учитывать многообразие физико-химических процессов, происходящих в ударном слое. Для этого необходимо обладать сведениями о скоростях протекания процессов возбуждения внутренних степеней свободы молекул и атомов (вращения, колебания молекул, возбуждение электронных уровней молекул и атомов), скоростях прямых и обратных реакций образования молекулярных и атомарных компонентов в газовой смеси, их ионизации, процессов высвечивания. Необходимы так же данные по процессам переноса в ударном слое и характеристики граничных условий, в первую очередь на поверхности, обтекаемой реагирующим газом.
Неравновесные процессы энергообмена на обтекаемой поверхности и вблизи нес очень подробно исследованы в работах М.И. Якушина, А.Ф. Колесникова (НИМ РАН) и Г.Н. Залогина (ЦНИИМАШ) и в данной работе не рассматриваются. Основное внимание уделяется физико-химическим процессам в ударном слое, с акцентом на ионизационные и излучательные процессы.
Эго объясняется, во-первых, тем, что при верификации кинетики неравновесных процессов по данным стендовых и летных экспериментов часто используются результаты измерений излучательных и ионизационных характеристик в ударном слое, а во-вторых, излучательно-ионизационные характеристики сами по себе являются важными параметрами для ряда прикладных задач.
В рассматриваемом диапазоне скоростей полета ЛА и течений в ударных волнах (3-8 км/с) основными энергетическими физико-химическими процессами являются молекулярные процессы возбуждения вращательных и колебательных степеней свободы молекул и их диссоциация. Среди ионизационных процессов превалируют процессы ассоциативной ионизации с
II
образованием молекулярных ионов, а в излучагельных процессах главную роль играют переходы между электронно-колебательио-вращательными состояниями молекул. Как ионизационные, так и излучательные процессы в указанном диапазоне скоростей не влияют на энергетические характеристики течения реагирующих газовых смесей. При численном моделировании течений с неравновесными физико-химическими процессами в рассматриваемом диапазоне скоростей главной проблемой является учет влияния на скорость химических реакций возбужденного состояния участвующих в рассматриваемом процессе компонентов. В первую очередь, очень важным является вопрос о численном моделировании колебательно-диссоциониого взаимодействия. Обычно константы скорости реакций представляют в форме Аррениуса. В этом случае при численном моделировании процессов колебательного возбуждения и диссоциации за ударной волной в воздухе необходимо учитывать, что молекулы N2, О2, N0 могут иметь различные колебательные температуры Тум2, Ту02, Туно • Эта ситуация еще больше осложняется для смесей газов, в которых присутствуют многоатомные молекулы. Для условий Марсианской атмосферы необходимо учитывать особенности колебаний и диссоциации молекул С02, а также колебательные состояния двухатомных молекул (в первую очередь СО, 02). При численном моделировании процессов ионизации необходимо введение чемпературы свободных электронов Тс, а при расчетах интенсивности излучения необходимо определять температуру электронного возбуждения молекул.
Вся длительная история развития численных расчетов гиперзвукового обтекания тел с учетом неравновесных физико-химических процессов характеризуется поиском эффективных моделей их протекания, с учетом различных факторов влияния, на основе сравнения с результатами соответствующих экспериментальных исследований. Первая волна развития численных моделей обтекания тел реагирующим газом в 60-70 годах была обусловлена прорывом в космических исследованиях. Их представление содержится в известных монографиях и обзорах [1-8]. Широкие
12
фундаментальные исследования неравновесных процессов в высокоскоростных газовых потоках были выполнены в СССР в ИВТАН, ИПМех, НИИМеХ МГУ. Решение прикладных задач обтекания с учетом химико-физических процессов выполнены в ЦНИИМАШ, ЦАГИ, 1ШИТП (см. например [1] а также [9-12,93-96]).Очень большой объем исследований по аэротермофизике был выполнен в США [8]. В ходе выполнения этих работ важное внимание было уделено проведению экспериментальных исследований неравновесных процессов (в основном ионизационных и излучательных) как в лабораторных условиях, так и в летных экспериментах [13-21].
В лабораторных условиях эксперименты выполнялись в электроразрядных ударных трубах (АОБТ), в которых проводились исследования за фронтом ударных волн при скоростях 4-12 км/с. [22-24]. В экспериментах на АОБТ измерялась интенсивность излучения за ударной волной (в видимой области спектра) и концентрация электронов.
Большой интерес вызвали летные эксперименты, проводимые в 60-е годы по программе ЯАМ [18-19]. Основная цель этих экспериментов - исследование эффективности различных методов обеспечения радиосвязи с ЛА на плазменном участке траектории полета. В этих экспериментах на спускаемом аппарате, который представлял собой затупленный конус с углом раствора 18° и сферическим затуплением 11=15см., проводились измерения распределения концентрации электронов (зондовым методом) около заднего среза аппарата при скорости полета 5.5 и 7.5 км/с. Результаты летных измерений пе использовались в целом ряде работ (например, в [20] и [25]) для верификации методов численного расчета пс в ударном слое. Однако основной упор в этих исследованиях был сделан на верификацию газодинамических моделей (невязкое обтекание, модель пограничного слоя, модель вязкого ударного слоя), без подробного анализа влияния элементов кинетики химических процессов.
В конце шестидесятых годов, когда полет межпланетных аппаратов на Марс и Венеру стал реальностью, появилась необходимость исследований физикохимических процессов за ударной волной в смесях газов, воспроизводящих
13
- Київ+380960830922