Влияние энерговыделения на структуру вихревых течений в неравновесном газе

На правах рукописиВИННИЧЕНКО Николай АркадьевичВлияние энерговыделения наструктуру вихревых теченийв неравновесном газеСпециальность 01.04.17 - химическая физика,в том числе физика горения и взрываАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2009Работа выполнена на кафедре молекулярной физики физическогофакультета Московского Государственного Университета имениМ.В.Ломоносова.Научный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор А.

В. Уваров.Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,член-корр. РАН, С.Т. Суржиков,доктор физико-математических наук,А.Е. Луцкий.Ведущая организация:Объединенный институтвысоких температур РАН, г. МоскваЗащита состоится ""2009 г. в "" час.на заседании диссертационного совета Д 501.002.01 в МосковскомГосударственном Университете имени М.В.Ломоносова по адресу:119992, ГСП-2, Москва, Ленинские горы, Физический факультет МГУ,С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физическогофакультета МГУ.Автореферат разослан ""Ученый секретарьдиссертационного советаД 501.002.01кандидат физико-математических наук2009 г.Т.В.

Лаптинская1Общая характеристика работыАктуальность темыИнтерес исследователей к проблемам течения неравновесного газа, тоесть газа, в котором энергия внутренних степеней свободы превышаетравновесное значение, связан с большим количеством практическихприложений.

Неравновесный газ естественным образом существует вверхних слоях атмосферы, и связанное с неравновесностью повышенноеэнерговыделение на поверхности летательного аппарата при полетена таких высотах предъявляет требования к термоизоляционнымсвойствам обшивки, которым не всегда удовлетворяют современныематериалы (так называемая проблема космического самолета). Внеравновесных средах лазеров и разрядов энерговыделение также являетсянегативным эффектом: релаксационный нагрев может приводить кразвитию перегревно-ионизационной неустойчивости, контракции и срывугенерации излучения. В ряде работ предпринимались попытки улучшитьхарактеристики проточного лазера за счет дополнительной турбулизациисреды, создания вихревых возмущений с помощью препятствия или спомощью звуковых волн.

При этом, имеет место и обратное воздействиеэнерговыделения на структуру течения. В отличие от этих случаев, вкоторых нагрев нежелателен, в авиации все чаще предлагается специальновоздействовать на течение с помощью разряда. Такое воздействиеможет стать новым средством управления течением вокруг летательногоаппарата, что весьма актуально в настоящее время, когда возможноститрадиционных механических методов в целом исчерпаны.

Помимо1улучшения аэродинамических характеристик при внешнем обтекании,существует также проблема эффективного поджига горючей смеси внутридвигателя при полетах с большой скоростью и на больших высотах(соответственно, при низких давлениях). И в этом случае решениемпроблемы может оказаться использование разрядов, обеспечивающихлокальный предварительный прогрев смеси и необходимое исходноеколичество активных радикалов.Во всех упомянутых приложениях важной частью газодинамическихтечений являются вихревые структуры. Ими определяются такиеважныехарактеристикитечения,какположениеточкиотрывапотока, эффективная длина вихревого следа за телом, эффективностьперемешивания внутри лазеров или камер сгорания, наличие зонвозвратного течения и стабилизация пламени в вихревых горелках.Вихревые структуры привлекали внимание исследователей на протяжениивсей истории развития гидродинамики, однако практически все результатыбыли получены в приближении несжимаемой жидкости. Причин для этогонесколько.

Во-первых, скорость газа в вихре в принципе не может бытьбольше (а, как правило, гораздо меньше) скорости звука. С точки зренияклассической гидродинамики, в этом случае сжимаемостью газа можнопренебречь. Во-вторых, до появления мощной вычислительной техникии современных численных методов задача о вихре в сжимаемой средебыла слишком трудна, поэтому рассматривалось сильно упрощающееситуацию с математической точки зрения приближение несжимаемойжидкости. Наконец, при расчетах классических гидродинамическихтечений без заметных тепловых эффектов задач, требующих учетасжимаемости газа в зонах вихревого течения, не возникает.

Ситуация резкоменяется, когда дело касается физических (главным образом, тепловых)2методов воздействия на течение. Так как выделение энергии приводит кпереносу массы, при рассмотрении взаимодействия энерговыделения ивихревой структуры необходимо достаточно полно учитывать эффектысжимаемости.Настоящая работа посвящена анализу взаимодействия одиночныхвихрей и вихревых течений и энерговыделения, вызванного неравновеснымсостоянием среды. Примером такой среды может служить средагазового разряда.

Основным фактором влияния разряда на течениебольшинство авторов считают именно энерговыделение (быстрое, смгновенным переходом энергии разряда в тепло, или же медленныйпереход энергии в поступательные степени свободы через релаксациюколебательных и электронных возбуждений), хотя некоторые работытакже обращают внимание на силовые факторы, такие как ионныйветер. В теоретических работах, посвященных взаимодействию вихрейи других течений с разрядом часто используется крайне упрощеннаямодель, сводящая действие разряда к энерговыделению как функциикоординат и времени [1, 2, 3]. Такая модель удобна тем, что нетребует включения в систему дополнительных уравнений или учетазависимости величины энерговыделения от параметров течения, котораяможет изменить свойства уравнений газовой динамики.

Тем не менее, вреальной неравновесной среде энерговыделение зависит от температурыи плотности, что приводит к дополнительным эффектам, таким какразвитие перегревно-ионизационной неустойчивости среды. Рассматриваяэнерговыделение, зависящее только от координат и времени, можноучесть лишь одну из сторон взаимодействия — влияние энерговыделенияна течение, но не влияние течения на энерговыделение. Поэтому внастоящей работе влияние неравновесной среды учитывается более полно,3с использованием энерговыделения, зависящего от температуры илиплотности, либо с помощью дополнительного уравнения релаксацииэнергии внутренних степеней свободы с учетом мгновенного перехода частиэнергии в тепло. Взаимодействие одиночных вихрей с энерговыделением,зависящим от параметров течения, рассматривалось в работах [4, 5].Некоторые результаты этих исследований рассмотрены в настоящейработе, в частности, показано, что использованная в [4] модельсреды с энерговыделением, зависящим от плотности, неустойчиваотносительно малых возмущений.

В [5] та же ситуация наблюдается дляэнерговыделения, зависящего от температуры, при быстром уменьшениивремени релаксации с ростом температуры. Кроме того, в [5] используетсяприближение несжимаемой жидкости, которое недостаточно точноописывает тепловые эффекты. В литературе встречаются и болееподробные, нежели использованные в диссертационной работе, моделиразряда, с учетом уравнений электродинамики и детальной кинетики.Часть из них, однако, не учитывает гидродинамических явлений [6],а повышение точности, достигнутое другими [7] за счет усложнениякинетической схемы, как правило, сводится на нет большой погрешностьюизвестных экспериментальных значений скоростей переходов.

Применениев настоящей работе промежуточных моделей, без детальной кинетики,но с учетом зависимости энерговыделения от параметров течения ивозможности постепенного перехода энергии из внутренних степенейсвободы в поступательные, обусловлено ситуацией, сложившейся в вопросеоб окончательном состоянии вихрей в неравновесной среде. Несмотря набогатую историю изучения вихревых структур и рост интереса к течениямнеравновесных сред, окончательного ответа на вопрос, что происходит свихревыми структурами в неравновесном газе, до сих пор нет. В работе [1]4утверждается, что в результате энерговыделения происходит распад вихря,в [4] получена быстрая диссипация вихря в неравновесной среде, в статье [5]говорится о перестройке вихря в результате взаимодействия. К сожалению,однозначных экспериментальных данных, позволивших бы разрешитьразногласия между теоретическими работами, нет.

Альтернативой можетбыть решение этой задачи в наиболее простой и общей формулировке,позволяющей строго ответить на вопрос в фундаментальном плане, непривязываясь к условиям конкретного эксперимента. Построение такогорешения является основной целью данной работы.Цель работы1. Решениезадачиовзаимодействииодиночноговихрясэнерговыделением в стационарной неравновесной среде с учетомзависимости величины энерговыделения от параметров течения.2.

Исследование влияния устойчивости неравновесной среды на процессизменения параметров вихря.3. Решение задачи об изменении параметров вихря в результатеначального возбуждения внутренних степеней свободы молекул дляразличной геометрии возбуждения.4. Определение сохраняющихся величин для вихря в неравновесномгазе.5. Численное моделирование влияния энерговыделения на условияобразования вихрей дорожки Кармана при обтекании цилиндрапотоком неравновесного газа.56.