В настоящее время изучение потоков, содержащих многоатомные молекулы, такие как CO2, необходимо для решения многих задач физической аэродинамики. Моделирование течений, содержащих молекулы углекислого газа применимо при расчете входа космического аппарата в атмосферу Марса и Венеры, для оценки тепловых потоков к транспортному средству, для описания процессов, происходящих в газодинамических лазерах и химических технологиях.

На данный момент наиболее распростаненным подходом для описания течения газовых смесей является численное моделирование с использованием вычислительной гидродинамики (CFD), поскольку оно позволяет учитывать теплофизические свойства и химические реакции. Однако в рамках программных пакетов хорошо описаны лишь двухатомные молекулы. Тогда как для описания физико-химических процессов, происходящих в условиях сильного неравновесия в смесях с учетом многоатомных молекул необходимо применять более сложные и детальные модели, учитывающие структуру молекул.
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 настоящего проекта предполагается реализовать трехтемпературную модель для описания молекул углекислого газа и провести небходимую валидацию в программном комплексе TAU. Данный программный комплекс является решателем CFD и был разработан в институте DLR. TAU 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 данный момент разработаны теоретические модели для многотемпературного описани смесей, содержащих молекулы углекислого газа. Валиация кинетических моделе проведена в рамках решения одномерных задач о пространственно однородной реласации и о течениях за сильными ударными волнами. Также многотемпературные модели были успешно реализованы в рамках промышленного программного пакета ANSYS.

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"). На данный момент в рамках предыдущего проекта по программе "Дмитрий Менделеев" в программном комплексе TAU были реализована и опробированна более точная модель для однотемпературного описания молекул СО2, а также внедрена самосогласованная двухтемпературная модель, для описания колебательной и химической кинетики.

Предполагается завершить имплементацию трехтемпературной модели колебательной и химической релаксации молекул углекислого газа в коде DLR-TAU код. А также провести сравнительный анализ имеющихся моделей и их валидацию путем сравнения с имеющимися в литературе экспериментальными и численными данными для различных низко- и высокоэнтальпийных течений.