Modeling of non-equilibrium flows, containing CO2 in the DLR-TAU code, сроки обучения: 01.09.2016 - 01.06.2020, научный руководитель профессор кафедры гидроаэромеханики Нагнибеда Екатерина Алексеевна

Project: Grant fulfilmentTotal grant fulfilment

Description

В настоящее время исследования неравновесных потоков углекислого газа необходимо для решения многих практических задач. Например для моделирования входа космических аппаратов в атмосферу Марса и Венеры, для описания процессов, происходящих в активной среде молекулярных лазеров, а также в химических технологиях. Применительно к космической промышленности изучение подобных потоков и их грамотное моделирование позволяет рассчитать тепловые потоки на поверхности аппарата, что необходимо для правильной оценки тепловых нагрузок и проектирования тепловой защиты.

Одним из наиболее распространенных методов изучения неравновесных потоков является численное моделирование с использованием вычислительной гидродинамики (CFD). Данный метод позволяет учитывать теплофизические свойства и химические реакции. Однако вследствие сложной структуры молекул углекислого газа необходима валидация существующих моделей и определение их областей применимости для правильного моделирования физических и химических процессов, происходящих в сильнонеравновесных условиях.
Методы CFD также широко используются для моделирования экспериментов, например, в ударных трубах и летных экспериментах, таких как исследования огня II и RAM-C. Что позволяет проверить необходимые модели физико-химической кинетики молекул углекислого газа на примере экспериментальных задач в широком диапазоне условий течения.

В рамках данного проекта предполагается реализовать многотемпературные модели колебательной кинетики молекул углекислого газа в программном комплексе TAU.
TAU является решателем CFD и был разработан в институте DLR. Данный солвер активно используется для моделирования и проектирования различных воздушных и космических аппаратов. TAU обладает многоми преимуществами, в частности TAU широко проверен на тестовых задачах для гиперзвуковых и магнитных потоков, также TAU способен эффективно обрабатывать сложную геометрию.

На настоящий момент разработана теоретическая модель описания неравновесных течений, содержащих молекул углекислого газа, построены упрощенные схемы моделирования колебательной и химической кинетики в таких течениях. Проведена валидация данных моделей на основе решения задач о пространственно однородной релаксации и о течениях за сильными ударными волнами. Выбор DLR в качестве принимающей организации обусловлен наличием у DLR высокоточного трехмерного CFD-солвера, в котором можно реализовывать новые модели неравновесной физико-химической релаксации, а также предыдущим опытом совместной работы сотрудников кафедры гидроаэромеханики СПбГУ с DLR (в рамках контракта Европейского Космичесокго Агенства и в рамках программы "Дмитрий Менделеев").

В результате работы в коде DLR-TAU будут реализованы новые модели колебательной релаксации молекул углекислого газа, а также модели неравновесной химической кинетики для течений, содержащих углекислый газ. Будет проведена валидация этих моделей путем сравнения с имеющимися в литературе экспериментальными и численными данными для различных низко- и высокоэнтальпийных течений.

Layman's description

В настоящее время исследования неравновесных потоков углекислого газа необходимо для решения многих практических задач. Например для моделирования входа космических аппаратов в атмосферу Марса и Венеры, для описания процессов, происходящих в активной среде молекулярных лазеров, а также в химических технологиях. Применительно к космической промышленности изучение подобных потоков и их грамотное моделирование позволяет рассчитать тепловые потоки на поверхности аппарата, что необходимо для правильной оценки тепловых нагрузок и проектирования тепловой защиты.

Одним из наиболее распространенных методов изучения неравновесных потоков является численное моделирование с использованием вычислительной гидродинамики (CFD). Данный метод позволяет учитывать теплофизические свойства и химические реакции. Однако вследствие сложной структуры молекул углекислого газа необходима валидация существующих моделей и определение их областей применимости для правильного моделирования физических и химических процессов, происходящих в сильнонеравновесных условиях.
Методы CFD также широко используются для моделирования экспериментов, например, в ударных трубах и летных экспериментах, таких как исследования огня II и RAM-C. Что позволяет проверить необходимые модели физико-химической кинетики молекул углекислого газа на примере экспериментальных задач в широком диапазоне условий течения.

В рамках данного проекта предполагается реализовать многотемпературные модели колебательной кинетики молекул углекислого газа в программном комплексе TAU.
TAU является решателем CFD и был разработан в институте DLR. Данный солвер активно используется для моделирования и проектирования различных воздушных и космических аппаратов. TAU обладает многоми преимуществами, в частности TAU широко проверен на тестовых задачах для гиперзвуковых и магнитных потоков, также TAU способен эффективно обрабатывать сложную геометрию.

На настоящий момент разработана теоретическая модель описания неравновесных течений, содержащих молекул углекислого газа, построены упрощенные схемы моделирования колебательной и химической кинетики в таких течениях. Проведена валидация данных моделей на основе решения задач о пространственно однородной релаксации и о течениях за сильными ударными волнами. Выбор DLR в качестве принимающей организации обусловлен наличием у DLR высокоточного трехмерного CFD-солвера, в котором можно реализовывать новые модели неравновесной физико-химической релаксации, а также предыдущим опытом совместной работы сотрудников кафедры гидроаэромеханики СПбГУ с DLR (в рамках контракта Европейского Космичесокго Агенства и в рамках программы "Дмитрий Менделеев").

В результате работы в коде DLR-TAU будут реализованы новые модели колебательной релаксации молекул углекислого газа, а также модели неравновесной химической кинетики для течений, содержащих углекислый газ. Будет проведена валидация этих моделей путем сравнения с имеющимися в литературе экспериментальными и численными данными для различных низко- и высокоэнтальпийных течений.

Key findings for the project

В рамках проекта была разработана и внедрена самосогласованная модель для описания многоатомных молекул с учетом строгого кинетического подхода. В коде реализованы методы для расчета колебательных энергий молекул углекислого газа, либо других линейных трехатомных молекул, с учетом колебательного возбуждения. Имплементированы модели для многотемпературного (двухтемпературного) описания течений, содержащих многоатомные молекулы. Добавлены уточненные данные для расчета времен релаксации VT, VV процессов с участием молекул углекислого газа, а также предложены аппроксимации для низких температур (Т<300 K). Добавлена двухтемпартурная модель Тринора-Маррона для диссоциации молекул углекислого газа и дополнительная обменная реакция СО+СО = СО2 + С. Произведена первичная валидация и сравнение с имеющимися моделями для химических реакций и колебательных переходов в условиях, соответствующих экспериментальным данным по обтеканию сферы [D. Liao, et all, 2017]. Внедрённые модели также проверены в условиях высокоэнтальпийного набегающего потока с условиями, характерными для входа космического аппарата в атмосферу Марса [V. Mareschi. Technical Report SACOMAR, 2011. Yu. Shevelev and N. Syzranova, 2007]. Проведено сравнение расстояния отхода ударной волны, образующейся при обтекании сферы, с экспериментальными данными.Научный руководитель принимающей стороны Dr.rer.nat. Volker Hannemann (доктор естестенных наук), Prof.Dr.-Ing. Klaus Hannemann (профессор, заведующий кафедрой)
AcronymD. Mendeleev 2018
StatusFinished
Effective start/end date15/10/1815/01/19