Создание континуально-кинетических моделей и эффективных численных алгоритмов решения задач аэродинамики и теплообмена в широком диапазоне чисел Рейнольдса

На индукционном плазмотроне ВГУ-4 при различных расходах газа (2,4 и 3,6 г/с) и мощностях ВЧ-генератора по анодному питанию (45 и 64 кВт) проведены эксперименты по измерению давления торможения в высокоэнтальпийных недорасширенных сверхзвуковых струях азота, истекающих из звуковых сопел диаметром 30 и 40 мм при давлении в барокамере 10,4 гПа. Измерены давления торможения и тепловые потоки к водоохлаждаемым поверхностям меди, нержавеющей стали, графита МПГ-7 и кварца в критической точке цилиндрической модели с плоским торцом диаметром 20 мм, обтекаемой высокоэнтальпийными недорасширенными сверхзвуковыми струями азота, истекающими из водоохлаждаемых звуковых сопел с диаметрами выходного сечения 30 и 40 мм при давлении в барокамере 10,4 гПа в четырех режимах работы плазмотрона ВГУ-4. Экспериментально продемонстрирован эффект сильного влияния каталитической рекомбинации атомов азота на тепловой поток к охлаждаемой поверхности. Тепловой поток к высококаталитичным поверхностям меди и нержавеющей стали в четыре раза превышает тепловой поток к поверхности кварца. Установлена качественная каталитическая шкала материалов по отношению к гетерогенной рекомбинации атомов N: медь ~ нержавеющая сталь > графит > кварц. Для тех же четырех режимов ВЧ-плазмотрона ВГУ-4 численно решены задачи о течении неравновесной плазмы азота в разрядном канале и пространстве, ограниченном стенками барокамеры и поверхностью модели. Экспериментальные и расчетные данные о тепловых потоках к высококаталитическим холодным поверхностям и давлению в точке торможения на цилиндрической модели с плоским носком в 1-й сверхзвуковой зоне недорасширенной струи диссоциированного азота удовлетворительно согласуются. В задаче трехмерного гиперзвукового обтекания разреженным газом затупленных тел получено асимптотическое решение для числа Стэнтона и коэффициентов трения и давления в зависимости от параметров обтекания и формы тела. При стремлении числа Рейнольдса к нулю решения для числа Стэнтона, коэффициентов полного трения и давления приближаются к значениям в свободномолекулярном режиме обтекания при единичном коэффициенте аккомодации. Показана удовлетворительная точность аналитического решения в переходном режиме гиперзвукового обтекания, и оценены границы его применимости. Разработана теоретическая кинетическая модель для определения влияния уноса оксида молибдена на концентрацию электронов и их температуру в ближнем следе за конусом при сверхзвуковом обтекании потоком разреженной плазмы. В задаче о движении и фрагментации крупных метеороидов в атмосфере Земли предложены выражения для коэффициента теплопередачи и оценки областей определяющего влияния конвективных и радиационных тепловых потоков в континуальном режиме. Рассмотрено энерговыделение на заключительном этапе движения метеороида с концевой вспышкой. Показано, что разрушение метеороида приводит к образованию его горячего следа, представляющего собой высокотемпературный газ, нагретый за счет потери кинетической энергии образовавшихся осколков. Рассчитана средняя температура в этом следе.