Автореферат (1149179)
Текст из файла
На правах рукописиШАРАФУТДИНОВ Ильдар ЗакировичКОЛЕБАТЕЛЬНАЯ И ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКАВ МНОГОТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОТОКАХВОЗДУХА ЗА УДАРНЫМИ ВОЛНАМИСпециальность 01.02.05 – Механика жидкости, газа и плазмыАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукСанкт-Петербург2016Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университетеНаучный руководитель:доктор физико-математических наук, профессорНагнибеда Екатерина АлексеевнаОфициальные оппоненты:Циркунов Юрий Михайловичдоктор физико-математических наук,профессор,Балтийский государственный техническийуниверситет «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф.
Устинова (БГТУ),профессор кафедры плазмогазодинамикии теплотехникиПогосбекян Михаил Юрьевичкандидат физико-математических наук,ведущий научный сотрудник 109 Лабораториикинетических процессов в газахНаучно-исследовательского института механикиМГУ имени М.В. ЛомоносоваВедущая организация:Федеральное государственное бюджетное учреждениенауки Институт теоретической и прикладной механикиим. С. А. Христиановича СО РАНЗащита состоится «»2016 г. вчасов на заседании дис-сертационного совета Д 212.232.30 на базе Санкт-Петербургского государственного университета по адресу: 198504, Санкт-Петербург, Старый Петергоф, Университетский пр., 28, математико-механический факультет, аудитория 405.С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им.
М. Горького Санкт-Петербургского государственного университета по адресу: 199034,Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9 и на сайте https://disser.spbu.ru/disser/soiskatelyu-uchjonoj-stepeni/ dis-list/details/14/1070.html.Автореферат разослан «Ученый секретарьдиссертационного совета»2016 г.Е.В. КустоваОбщая характеристика работыАктуальность темы. При численном моделировании потоков воздухаза ударными волнами у поверхностей высокоскоростных летательных аппаратов, в соплах и струях важен учет неравновесного возбуждения внутреннихстепеней свободы молекул и химических реакций.
Наиболее строгий подходоснован на совместном решении уравнений газовой динамики и уравненийдля заселенностей уровней внутренних энергий молекул смеси. В этом направлении в последние годы достигнуты большие успехи. Однако применениепоуровневого описания в расчетах течений многокомпонентных смесей вызывает трудности, связанные, во-первых, с необходимостью интегрированиябольшого числа уравнений для заселенностей энергетических уровней молекул смеси в каждом конкретном случае и, во-вторых, с недостатком данныхо коэффициентах скорости химических реакций и энергетических переходов,зависящих от внутренних энергий молекул разных сортов.
Поэтому разработка эффективного упрощенного подхода для описания течений высокотемпературного воздуха, учитывающего основные неравновесные эффекты и вто же время пригодного для выполнения серийных расчетов при решениипрактических задач, является актуальной современной проблемой. Переходот поуровневого к многотемпературному описанию течений ударно нагретого воздуха позволяет сократить число неизвестных параметров течения исоответственно число решаемых уравнений. При этом важен выбор многотемпературных колебательных распределений, обеспечивающий наилучшуюточность упрощенных моделей в разных условиях неравновесности.
До настоящего времени не изученным оставалось влияние неравновесных колебательных распределений на параметры многокомпонентного воздуха в релаксационной зоне за ударной волной и не оценивались упрощения, принимаемые привыводе уравнений многотемпературной колебательной и химической кинетики. В связи с этим актуальной проблемой является создание обоснованныхмоделей многотемпературной кинетики в потоках воздуха и их применение врасчетах течений за ударными волнами при разных условиях в набегающемпотоке.3Цель работы:1. Разработка квазистационарных моделей, описывающих течения воздуха при высоких температурах с учетом сильной химической и колебательной неравновесности.2.
Исследование коэффициентов скорости неравновесных химических реакций в пятикомпонентном воздухе на основе двухтемпературных и однотемпературных колебательных распределений, справедливых в разных условиях неравновесности.3. Применение разработанных моделей для решения задачи о течении пятикомпонентной воздушной смеси N2/O2 /N O/N/O за сильными ударными волнами.4. Оценка влияния колебательной неравновесности, выбора моделей энергообменов и химических реакций на колебательные распределения и газодинамические параметры за фронтом ударной волны на основе сравнения результатов, полученных при трехтемпературном и однотемпературном описании.Научная новизна определяется, во-первых, использованием многотемпературного подхода, учитывающего сильные и умеренные отклонения отравновесия, при численном моделировании течений пятикомпонентного воздуха за ударными волнами.
Предложенный подход сочетает упрощения многотемпературных моделей при выводе уравнений для макропараметров истрогость поуровневого описания при вычислении осредненных коэффициентов скорости реакций. Во-вторых, новыми являются оценки влияния колебательных распределений на осредненные коэффициенты скорости обменныхреакций при разных отклонениях от равновесия, а также введение факторовнеравновесности для обменных реакций и их расчет. В-третьих, новыми являются оценки влияния двухтемпературных колебательных распределенийи моделей переходов энергии и реакций на эволюцию макропараметров зафронтом ударной волны в воздухе.
В-четвертых, впервые показано сильноевлияние колебательной неравновесности в набегающем потоке на макропараметры воздуха за фронтом ударной волны при трехтемпературном описа4нии. В-пятых, новым является сравнение колебательной температуры молекул кислорода, найденной в расчетах, с имеющимися экспериментальнымиданными.Достоверность обеспечивается сравнением результатов диссертации сданными, полученными при использовании наиболее строгого подхода, учитывающего детальную поуровневую колебательную и химическую кинетику. Получено удовлетворительное согласие результатов, найденных в рамкахпредложенного в диссертации трехтемпературного подхода и поуровневогоописания. Использованное в диссертации многотемпературное приближениеимеет строгое обоснование в кинетической теории газов.Достоверность результатов подтверждается также использованием в расчетах моделей переходов энергии и реакций, которые основаны на аппроксимациях экспериментальных данных и на строгих траекторных расчетах.Колебательные спектры молекул воздуха рассчитывались на основе строгоймодели с учетом ангармоничности колебаний.
На основе выполнения законов сохранения массы, импульса и полной энергии проверялась погрешностьчисленного решения уравнений, которая не превышала 0.05%. Также достоверность результатов подтверждается их сравнением с экспериментальнымиданными.Научная и практическая ценность диссертации. Разработан многотемпературный подход для описания течений воздуха за ударными волнамипри разных отклонениях от равновесия в диапазоне температур от 2000 К до14000 К: представлены замкнутые системы уравнений для макропараметров,детально изучены двухтемпературные коэффициенты скорости диссоциациии обменных реакций Зельдовича, показано влияние колебательных распределений на эти коэффициенты.Трехтемпературная модель использована для численного решения задачи о течении пятикомпонентного воздуха за ударными волнами, возникающими в равновесном и колебательно возбужденном газе.
Разработана численная схема и программный код для расчета параметров ударно нагретоговоздуха в трехтемпературном приближении. Результаты расчетов показаливлияние колебательных распределений, моделей энергообменов и химическихреакций, условий в набегающем потоке на изменение температуры, скорости5потока, состава воздуха и колебательных температур молекул азота и кислорода в релаксационной зоне за ударным фронтом. Представлено сравнениеполученных результатов с данными экспериментов на ударных трубах.
Такжепоказано сравнение с результатами, найденными при поуровневом описаниинеравновесной кинетики и в однотемпературном термически равновесном газе. Даны рекомендации по выбору моделей переходов колебательной энергии,химических реакций и колебательных распределений при моделировании течений воздуха за ударными волнами.Результаты проведенного исследования могут быть использованы при моделировании течений не только ударно нагретого воздуха, но и потоков всоплах и струях, а также при решении задач лазерной и химической физики.Положения, выносимые на защиту:1. Четырехтемпературная и трехтемпературные модели течений ударнонагретого воздуха, учитывающие неравновесные реакции диссоциации,рекомбинации, обмена атомами и переходы колебательной энергии вразных условиях неравновесности.2. Двухтемпературная модель обменных реакций Зельдовича, основаннаяна осреднении уровневых коэффициентов скорости реакций по неравновесным колебательным распределениям.
Результаты расчета факторовнеравновесности и двухтемпературных коэффициентов скорости обменных реакций на основе разработанной модели с учетом разных колебательных распределений и их анализ.3. Результаты применения трехтемпературных моделей, учитывающих сильные и умеренные отклонения от равновесия, при численном моделировании течений воздуха за ударными волнами при M = 10, 13, 16. Оценкивлияния колебательных распределений, моделей энергообменов и химических реакций в пятикомпонентном воздухе на изменение скорости,температуры и состава воздуха за фронтом ударной волны.4. Модифицированные условия совместности на фронте ударной волны сучетом обменов колебательными квантами внутри фронта.65. Оценка влияния колебательной неравновесности набегающего потока напараметры воздуха за фронтом ударной волны в трехтемпературномприближении.Апробация результатов. Результаты, представленные в диссертации,докладывались на следующих Всероссийских и международных конференциях:1.
Международная конференция по механике "Шестые Поляховские чтения"(Санкт-Петербург, 2012);2. Всероссийская конференция с участием иностранных ученых "Современные проблемы динамики разреженных газов"(Новосибирск, 2013);3. 29th International Symposium on Rarefied Gas Dynamics (Xi’an, China,2014);4. 21st International Shock Interaction Symposium (Riga, Latvia, 2014);5.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
