Моделирование неравновесных течений углекислого газа в современных задачах космической аэродинамики и экологии Земли: 2021 г. этап 3

Целью проекта является построение и апробация детальных и сокращенных теоретических моделей неравновесной физико-химической кинетики и процессов переноса в углекислом газе, выявление доминирующих механизмов колебательной релаксации и химических реакций с помощью детального поуровневого подхода, разработка программных продуктов и численное моделированию неравновесных течений CO2 при различных условиях.

Проект посвящен моделированию сильнонеравновесных процессов в углекислом газе методами кинетической теории газов с применением континуального подхода. Углекислый газ составляет основную часть атмосферы Марса, Венеры и некоторых спутников Юпитера, а также является одним из главных продуктов техногенного воздействия человека на окружающую среду. В связи с этим актуальность исследования неравновесных процессов в СО2 обусловлена двумя большими вызовами: необходимостью развития космических программ, в частности, планируемых полетов на Марс, и необходимостью улучшения экологической ситуации.
Цели проекта: построение и апробация детальных и сокращенных теоретических моделей неравновесной физико-химической кинетики и процессов переноса в CO2 и смесях, содержащих продукты его диссоциации; выявление доминирующих механизмов колебательной релаксации и химических реакций с помощью детального поуровневого подхода и последних данных о сечениях элементарных процессов; разработка программного продукта для численного моделирования течений углекислого газа; исследование высокотемпературных течений вдоль траектории входа космического аппарата в атмосферу; моделирование сильнонеравновесных низкотемпературных течений СО2 в условиях большого запаса колебательной энергии; изучение возможностей снижения концентрации углекислого газа в атмосфере Земли при помощи низкотемпературных технологий, основанных на накачке энергии в колебательные моды CO2.
Описание кинетики молекул углекислого газа затруднено наличием нескольких колебательных мод, огромного числа возбужденных состояний, многочисленных каналов колебательной релаксации и, как следствие, различными механизмами протекания химических реакций, зависящих от возбуждения колебательных мод молекулы. В проекте впервые в рамках единого подхода будут определены главные механизмы и взаимосвязь релаксации внутренней энергии и химических реакций в смесях CO2, CO, O2, C, O в широком диапазоне условий и при разных степенях отклонения от равновесия – от низкотемпературных процессов в нижней атмосфере Земли до высокотемпературных течений разреженного газа в условиях входа в атмосферу Марса. Выявленные закономерности станут основой для построения новых реалистичных сокращенных моделей.

На заключительном этапе проекта было завершено построение сокращенных теоретических моделей колебательно-химической кинетики углекислого газа, разработаны программные продукты для их реализации, проведена серия расчетов для различных неравновесных условий, оценена вычислительная эффективность моделей и даны рекомендации по их использованию.

Работы проводились по нескольким основным направлениям: 1) окончательное уточнение моделей поуровневых и многотемпературных коэффициентов химических реакций; 2) исследование вклада возбужденных электронных состояний в кинетику продуктов распада углекислого газа; 3) поуровневое моделирование кинетики пятикомпонентной смеси CO2, CO, O2, C, O и оценка чувствительности результатов к выбору кинетической схемы; 4) разработка гибридного подхода к моделированию кинетики и гидродинамики неравновесных течений смеси CO2, основанного на осреднении поуровневых скоростей реакций и переходов колебательной энергии; 5) оценка вычислительной эффективности различных подходов и оптимизация алгоритмов; 6) исследование неравновесной кинетики и процессов переноса в углекислом газе в широком диапазоне условий.

К основным итогам этапа можно отнести следующие результаты.

Модернизация моделей скоростей химических реакций в поуровневом и многотемпературных приближениях на основе новых данных квазиклассических траекторных расчетов и с учетом в модели колебательно-электронного возбуждения всех частиц-участников реакции. Уточнение параметров модели для поуровневых реакций диссоциации и обмена в воздухе. Рекомендации по выбору параметров для случая учета колебательного возбуждения реагирующей молекулы и продукта в реакциях обмена, устранение зависимости параметра модели от колебательной энергии реагента и обеспечение строгого предельного перехода к закону Аррениуса при стремлении к термическому равновесию.
Разработка собственного кода для моделирования поуровневой кинетики двухатомных молекул с учетом электронного возбуждения и свободных электронов. Интеграция в код открытого программного комплекса LoKI-B для решения уравнения Больцмана для свободных электронов. Изучение влияния свободных электронов на ход химических реакций, ионизацию и колебательную кинетику в кислороде в условиях разряда. Исследование роли электронного возбуждения в явлении задержки диссоциации молекул монооксида углерода за ударными волнами. Даны рекомендации по совершенствованию модели, использованной в программном комплексе LoKI-B: включение в кинетическую схему обратных процессов для столкновений тяжелых частиц, реализация универсальной модели нагруженного гармонического осциллятора для переходов колебательной энергии и модели Маррона-Тринора для диссоциации при столкновении с тяжелыми частицами.
Детальное исследование колебательной и химической кинетики углекислого газа в рамках поуровневого и многотемпературных подходов при различных условиях неравновесности. Оценка вкладов разных типов энергообменов и химических реакций в процесс релаксации молекул показала необходимость учета межмолекулярных переходов колебательной энергии. Особое влияние данные энергообмены оказывают на релаксацию двухатомных молекул. Исследование поуровневой кинетики углекислого газа в условиях накачки колебательной энергии в отдельные колебательные моды показало, что для выборочного возбуждения мод эффективность диссоциации молекул значительно ниже по сравнению с одновременным возбуждением всех мод. Показана роль моделей переходов колебательной энергии и химических реакций в формировании неравновесных распределений и эволюции макропараметров в задачах о пространственно однородной релаксации, о течениях за фронтом ударной волны и вдоль линии торможения в гиперзвуковом потоке. Обнаружено, что замена модели Шварца-Славского-Герцфельда для переходов энергии на модель нагруженного гармонического осциллятора приводит к изменению хода релаксации и смене ключевых механизмов. Выбор параметров в законе Аррениуса оказывает более существенное влияние на эволюцию гидродинамических параметров, чем варьирование параметра модели, учитывающего предпочтительный характер реакций диссоциации и обмена из возбужденных состояний.
Разработка гибридного многотемпературного подхода FMT (full multi-temperature), основанного на использовании осредненных поуровневых источниковых членов в уравнениях многотемпературной кинетики. Предложенный подход сочетает преимущества поуровневого моделирования с эффективностью многотемпературных моделей: а) подход FMT учитывает большинство существующих механизмов колебательной релаксации и, таким образом, способен улавливать сильно неравновесные эффекты; б) моделирование взаимного влияния колебательной релаксации и химических реакций в модели FMT происходит естественным образом, в отличие от традиционных многотемпературных моделей; в) модель не требует данных о временах релаксации колебательной энергии, которые обычно измеряются лишь в ограниченных диапазонах условий. Проведена валидация FMT модели путем сравнения с точным поуровневым моделированием, продемонстрирована высокая точность модели по сравнению с традиционными подходами, основанными на уравнении Ландау-Теллера.
Оценка вычислительной эффективности разработанных моделей показала, что гибридная модель занимает промежуточное положение между поуровневой и традиционными многотемпературными моделями, уменьшая при этом время моделирования пространственно однородной задачи примерно на два порядка (по сравнению с поуровневым подходом). При решении более сложных задач эффективность будет существенно расти, поскольку основные вычислительные затраты идут на расчет скорости колебательно-химической релаксации, а время на решение дифференциальных уравнений сравнимо с обычным многотемпературным подходом. Таким образом, подход FMT может быть рекомендован как наиболее универсальный, достаточно быстрый и точный инструмент моделирования неравновесных течений смесей с углекислым газом.
В целях дальнейшей оптимизации моделирования поуровневой кинетики и процессов переноса впервые были проанализированы возможности применения методов машинного обучения, отобраны наиболее перспективные алгоритмы и намечены направления дальнейших исследований в этой области. Для однокомпонентного углекислого газа в FMT приближении были обучены нейронные сети, позволяющие эффективно аппроксимировать релаксационные члены, полученные при осреднении поуровневых скоростей колебательной релаксации. Нейронные сети были интегрированы в код для моделирования течения за ударными волнами; применение нейронных сетей позволяет проводить моделирование кинетики углекислого газа за фронтом ударной волны почти на порядок быстрее с погрешностью не более 4%.
Для условий, близких к входу в атмосферу Марса, в рамках поуровневого подхода изучено неравновесное течение углекислого газа вдоль линии торможения. Исследовано влияние химических реакций и переходов колебательной энергии на тепловые потоки. Для теплового потока показано удовлетворительное согласие с экспериментальными результатами Hypulse (NASA). Исследованы тепловые потоки и вязкие напряжения во фронте ударной волны в CO2 в многотемпературных приближениях. В код внедрены разработанные в проекте алгоритмы расчета коэффициентов переноса: коэффициентов теплопроводности различных энергетических мод, сдвиговой и объемной вязкости. Изучена роль объемной вязкости для различных начальных условий, показано, что влияние объемной вязкости на напряжения и тепловые потоки велико в достаточно разреженном газе и практически пренебрежимо мало при давлении в набегающем потоке более 100 Па. Оценено влияние детальности модели на диссипативные члены, изучены эффекты компенсации потоков энергии разных степеней свободы. Показано, что конкуренция разных процессов приводят к уменьшению полного теплового потока. Сделан вывод о важности учета переменного числа Прандтля при моделировании ударных волн.

По результатам этапа опубликовано 7 статей, получено свидетельство о регистрации программы для ЭВМ, защищена одна кандидатская диссертация, сделано 9 докладов на международных конференциях. Все запланированные в отчетном году научные результаты достигнуты.

Модернизация моделей скоростей химических реакций в поуровневом и многотемпературных приближениях на основе новых данных квазиклассических траекторных расчетов и с учетом в модели колебательно-электронного возбуждения всех частиц-участников реакции, уточнение параметров и рекомендации по их выбору.
Разработка собственного кода для моделирования поуровневой кинетики двухатомных молекул с учетом электронного возбуждения и свободных электронов. Исследование влияния электронного возбуждения и свободных электронов в условиях разряда и за ударными волнами.
Детальное исследование колебательной и химической кинетики углекислого газа в рамках поуровневого и многотемпературных подходов при различных условиях неравновесности. Показана необходимость учета межмолекулярных переходов колебательной энергии.
Разработка гибридного многотемпературного подхода FMT (full multi-temperature), основанного на использовании осредненных поуровневых источниковых членов в уравнениях многотемпературной кинетики. Проведена валидация и продемонстрирована высокая точность по сравнению с традиционными подходами. Подход занимает промежуточное положение между поуровневой и традиционными многотемпературными моделями и рекомендуется как наиболее универсальный, достаточно быстрый и точный инструмент.
Проанализированы возможности применения методов машинного обучения и нейронных сетей, их применение позволяет проводить моделирование почти на порядок быстрее с погрешностью не более 4%.
Для условий, близких к входу в атмосферу Марса, в рамках поуровневого подхода изучено неравновесное течение углекислого газа вдоль линии торможения, показано удовлетворительное согласие с экспериментальными результатами. Исследованы тепловые потоки и вязкие напряжения. Оценено влияние детальности модели на диссипативные члены, изучены эффекты компенсации потоков энергии разных степеней свободы. Конкуренция разных процессов приводит к уменьшению полного теплового потока. Сделан вывод о важности учета переменного числа Прандтля при моделировании ударных волн.

1. Кустова Елена Владимировна, профессор.
Общая координация работ над проектом, моделирование кинетики с учётом электронного возбуждения и в условиях разряда. Моделирование течения вдоль линии торможения в условиях атмосферы Марса.
2. Нагнибеда Екатерина Алексеевна, профессор.
Исследование колебательной и химической кинетики CO2 в поуровневом и многотемпературном приближениях при различных условиях неравновестности. Разработка гибридного многотемпературного подхода.
3. Мехоношина Мария Андреевна, старший научный сотрудник.
Модернизация моделей скоростей химических реакций и переходов колебательной энергии.

Не разрешается.

Разрешается.

Проект является междисциплинарным, в нем использованы методы физической и химической кинетики, кинетической теории неравновесных процессов, численного моделирования течений в рамках континуального подхода, методы машинного обучения для оптимизации расчетов.