Автореферат (Скорость физико-химической релаксации в вязких неравновесных течениях газов)

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТНа правах рукописиОБЛАПЕНКО Георгий ПавловичСКОРОСТЬ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ РЕЛАКСАЦИИ ВВЯЗКИХ НЕРАВНОВЕСНЫХ ТЕЧЕНИЯХ ГАЗОВ01.02.05 – Механика жидкости, газа и плазмыАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукСанкт-Петербург2017Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете.Научный руководитель:доктор физико-математических наук,доцент КУСТОВА Елена ВладимировнаОфициальные оппоненты: доктор физико-математических наук,профессор Уваров Александр Викторович,Московский государственный университетим.

М.В. Ломоносовапрофессор кафедры молекулярных процессови экстремальных состояний веществадоктор физико-математических наук,профессор Кузнецов Михаил Михайлович,Московский государственный областнойуниверситетпрофессор кафедры теоретической физикиВедущая организация:Федеральное государственное бюджетноеучреждение науки Институттеоретической и прикладной механикиим С. А. Христиановича СО РАНЗащита диссертации состоится “20” апреля 2017 года в 16 часов на заседании совета Д 212.232.30 на базе Санкт-Петербургского государственногоуниверситета по адресу: 198504, Санкт-Петербург, Старый Петергоф, Университетский пр., д.

28, математико-механический факультет, ауд. 405.С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им. М. Горького Санкт-Петербургского государственного университета по адресу: 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., д. 7/9 и насайтеhttp://spbu.ru/science/disser/soiskatelyu-uchjonoj-stepeni/dislist/details/14/1297.htmlАвтореферат разослан “Ученый секретарьдиссертационного совета”2017 года.Е.В. КустоваОбщая характеристика работыАктуальность темыПроектирование современных высокоскоростных летательных аппаратов требует детального исследования их аэротермодинамических характеристик при полетах со сверх- и гиперзвуковыми скоростями.

Перед аппаратом образуется головная ударная волна, в результате газ в области точкиторможения находится в состоянии, далеком от термического и химического равновесия. В разреженных газах зоны колебательной и химическойнеравновесности могут быть сравнимы с характерными масштабами течения; эффекты реального газа заметно влияют на параметры течения итепловые потоки на поверхности аппарата. В связи с этим важно исследовать влияние колебательной релаксации, а также совместное влияниеколебательной релаксации и диссоциации на аэротермодинамические характеристики аппарата.

Экспериментальные исследования в условиях гиперзвукового полета достаточно сложны, поэтому основным инструментомв настоящее время является численное моделирование неравновесных течений, требующее разработки точных моделей скорости физико-химическихпроцессов в вязких газах.Таким образом, актуальность темы в первую очередь обусловлена необходимостью точного расчета газодинамических параметров сильнонеравновесных течений для корректного моделирования полетов с гиперзвуковойскоростью и входа космических летательных аппаратов в атмосферу планет.

Кроме того, для инженерных приложений актуальной является оценкаграниц применимости упрощенных моделей скорости физико-химическихпроцессов, обычно применяемых при расчете неравновесных течений.Правильное описание скорости физико-химической релаксации такжеважно для моделирования процессов в активной среде газодинамическихлазеров, потоков в соплах реактивных двигателей, течений в ударных трубах.

Построение самосогласованной модели скорости физико-химическихпроцессов, учитывающей эффекты реального вязкого газа, необходимо идля повышения точности интерпретации экспериментальных данных поопределению коэффициентов скорости неравновесных процессов.Цель работы1. Построение замкнутой самосогласованной модели скорости физикохимических процессов в смесях вязких газов с учетом колебательнойи химической неравновесности.2. Исследование влияния параметров газа, ангармоничности молекулярных колебаний и степени отклонения от равновесия на скоростьфизико-химических процессов в смесях вязких газов.3.

Изучение скорости физико-химической релаксации в течениях за3ударными волнами и в соплах, оценка роли перекрестных эффектов, связанных с взаимным влиянием колебательной релаксации идиссоциации.4. Установление пределов применимости существующих моделейфизико-химической релаксации.5. Реализация поуровневых моделей колебательной релаксации в методе прямого статистического моделирования (ПСМ), исследование ихвлияния на параметры газа в задаче двумерного обтекания тел.Научная новизна1.

Построена замкнутая самосогласованная модель и разработан алгоритм расчета скорости физико-химических процессов в смесях вязких газов с колебательной и химической неравновесностью в многотемпературном приближении, учтены перекрестные эффекты междуразличными физико-химическими процессами и влияние дивергенции скорости потока на скорость физико-химической релаксации.2. Получен аналог формулы Ландау–Теллера для скорости колебательной релаксации, дающий лучшее согласие с результатами точных расчетов в условиях сильной колебательной неравновесности.3. На основании кинетической теории газов разработан метод расчетавремени колебательной релаксации, дающий корректное описание егоповедения при высоких температурах; метод позволяет рассчитыватьвремя колебательной релаксации для любых квазистационарных распределений молекул по уровням колебательной энергии и может применяться как для гармонических, так и ангармонических колебаний.4.

Проведено систематическое исследование скорости физикохимической релаксации в многотемпературных течениях смесейвязких газов в широком диапазоне условий; впервые проведеныоценки перекрестных эффектов между колебательной релаксациейи диссоциацией в вязком газе; оценено влияние ангармоничностиколебаний, состава смеси, степени отклонения от равновесия наскорость физико-химических процессов.5. В рамках метода ПСМ изучено влияние поуровневых моделей колебательных переходов на параметры газа при обтекании двумерных тел;исследована роль многоквантовых переходов в процессе колебательной релаксации пространственно однородного газа и при обтеканиидвумерных тел.Научная ценность1.

Построена самосогласованная теоретическая модель скоростифизико-химических процессов в вязких неравновесных течениях4смесей газов в многотемпературном приближении; обнаружены перекрестные эффекты между скоростями различных неравновесныхфизико-химических процессов и диагональными членами тензора напряжений; для многотемпературных течений доказаны соотношениявзаимности Онзагера–Казимира для кинетических коэффициентовпри скалярных термодинамических силах.2. Исследована скорость физико-химических процессов в различныхсмесях при различных неравновесных условиях; оценено взаимноевлияние колебательной релаксации и диссоциации; изучено влияниеангармоничности колебаний на скорость релаксации в первом приближении метода Энскога–Чепмена.3.

Исследовано влияние многоквантовых колебательных переходов наобтекание двумерных тел.Практическая значимость1. Разработаны и реализованы алгоритмы расчета скорости физикохимической релаксации в вязких газах в многотемпературном приближении.2. Получено обобщение формулы Ландау–Теллера на случай сильнойколебательной неравновесности; уточненная формула может быть рекомендована для проведения инженерных расчетов.3. Реализован метод расчета времени колебательной релаксации.4. Реализованы поуровневые модели колебательной релаксации в методе ПСМ.5.

Установлены пределы применимости упрощенных моделей времениколебательной релаксации и скорости диссоциации, даны рекомендации по выбору моделей в различных неравновесных условиях.Достоверность результатов обеспечена применением строгих подходов кинетической теории газов; использованием современных моделей межмолекулярного взаимодействия для расчета интегралов столкновений, вероятностей переходов и коэффициентов скорости физико-химических процессов; согласованием результатов расчетов с экспериментальными данными и расчетами других авторов.Положения, выносимые на защиту1. Замкнутая самосогласованная модель скорости физико-химическихпроцессов в течениях смесей вязких газов с колебательной и химической неравновесностью в многотемпературном приближении с учетомангармоничности молекулярных колебаний.52. Обобщение формулы Ландау–Теллера для условий сильной колебательной неравновесности и оценка пределов применимости оригинальной и обобщенной формул.3.