Математическое моделирование высокоэнергетических потоков для теплового и газодинамического проектирования в аэрокосмической технике

Работа посвящена созданию современных средств математического моделирования неравновесных высокоэнергетических потоков газовых смесей произвольного состава в широком диапазоне определяющих параметров. Объект исследования - высокоэнергетические потоки. Предметами исследования являются различные физические эффекты, возникающие в данных потоках при изменении режимных параметров, а именно: явления переноса в разреженном газовом потоке, термическая и химическая неравновесность, явление турбулентности и ее возникновение, излучение и его перенос в газовой среде. Цель работы - создание средств математического моделирования высокоэнергетических термохимически неравновесных потоков газа для произвольно высоких чисел Маха, любых режимов по числу Рейнольдса и диапазона чисел Кнудсена от 0 до 10. Предложен новый эффективный полностью связанный неявный численный метод решения системы уравнений Навье-Стокса (Рейнольдса-Фавра) для расчета термически и химически неравновесных сверхзвуковых потоков, в котором, в отличии от расщепления системы уравнений по физическим процессам, реализована специальная факторизация матриц, позволившая существенно ускорить процесс обращения матриц. Впервые предложена комплексная методика расчета термически неравновесных газовых потоков умеренной разреженности (число Кнудсена от 0.01 до 10) с произвольной геометрией течения, основанная на использовании квазигазодинамических (КГД) уравнений, в которые включены уравнения, учитывающие колебательную неравновесность. Проведен расчет высотных струй ДЛА (двигателя летательного аппарата) от 100 до 200 км земной атмосферы, основанный на решении полных систем уравнений Навье-Стокса и квазигазодинамических (КГД) уравнений, включающей уравнения для колебательных энергетических мод, а также учитывающих ненулевую вторую вязкость. Впервые разработана методика расчета неравновесного ИК излучения струй ДЛА на больших высотах, основанная на решении уравнения переноса излучения в термически неравновесном газе и методе k-распределения. Предложена новая трехпараметрическя модель турбулентного смешения. Предложена новая упрощенная модель ламинарно-турбулентного перехода. Разработана новая вычислительная модель и соответствующее программное обеспечение. Теоретическая и практическая значимость. В работе развиты различные направления математического моделирования высокоскоростных потоков в рамках механики сплошной среды: моделирование разреженных потоков, моделирование термической неравновесности, моделирование турбулентности и перехода к ней, моделирование переноса излучения в газе. Применение предлагаемой в работе комплексной модели и численных методов позволяет в отдельных случаях существенно увеличить точность расчетов (от 10%-15% до 4-5 раз).