Численное моделирование неравновесных течений для аэрокосмических приложений

Объектом исследования настоящего проекта являются высокоскоростные течения нейтрального и частичного ионизованного газа, характерные для задач обтекания космических и летательных аппаратов, а также для задач, связанных с функционированием двигателей ориентации космических аппаратов. Целью исследований является развитие новых методов численного моделирования высокоскоростных неравновесных течений и их применение для решения ряда актуальных в настоящее время задач, связанных с созданием новых образцов авиационной и космической техники. Основными методами исследования являются численные методы аэродинамики континуальных и переходных по числу Кнудсена течений, а также физики низкотемпературной плазмы, такие как конечно-объемный метод для решения уравнений Эйлера и Навье—Стокса, метод прямого статистического моделирования и метод частиц в ячейках. Цели этапа 2022 года включают проведение верификации и валидации физико-химических моделей, реализованных в программах на основе уравнений Навье-Стокса для моделирования течений с эффектами реального газа, в том числе сравнение с доступными в литературе расчетными и экспериментальными данными, разработку и реализацию в программных пакетах, основанных на методе прямого статистического моделирования, новых эффективных моделей физико-химических процессов в газовой фазе, применимых для смесей многоатомных газов в приложении к задачам молекулярного моделирования процессов горения и детонации, исследование влияния термической неоднородности поверхности на развитие возмущений и переход к турбулентности в пограничном слое при больших сверхзвуковых числах Маха потока, численное исследование аномального транспорта электронов поперек магнитного поля у эмиссионной поверхности с выемками порядка дебаевского радиуса, возникающими из-за эрозии поверхности канала стационарного плазменного двигателя. Все поставленные задачи выполнены в полном объеме. Путем сравнения с экспериментальными данными и результатами расчетов с использованием метода прямого статистического моделирования выполнена валидация реализованных в программах физико-химических моделей, в том числе моделей для описания неравновесных химически реагирующих газовых течений на основе уравнений Навье-Стокса. Разработаны и реализованы в программных пакетах новые эффективные модели физико-химических процессов в газовой фазе, применимые для смесей многоатомных газов в приложении к задачам прямого статистического моделирования процессов горения и детонации. На основе прямого численного моделирования исследованы линейные и нелинейные стадии развития неустойчивых возмущений и ламинарно-турбулентного перехода в пограничном слое с наличием локальных участков тепловой неоднородности поверхности. Выполнен анализ аномального транспорта электронов поперек магнитного поля у эмиссионной поверхности с выемками размером порядка дебаевского радиуса.