Радиационная и магнитная газовая динамика высокоскоростных течений, разрядов и плазмы, механика горения, взрыва и взаимодействия лазерного излучения и высокоэнтальпийных потоков с веществами и материалами

Представлены результаты исследований, проведенных в 2022 г по теме «Радиаци-онная и магнитная газовая динамика высокоскоростных течений, разрядов и плазмы, ме-ханика горения, взрыва и взаимодействия лазерного излучения и высокоэнтальпийных потоков с веществами и материалами». Исследования велись коллективами пяти лабора-торий ИПМех РАН по разделам «Радиационная газовая динамика высокоскоростных те-чений», «Механика горения, взрыва и многофазных течений», «Взаимодействие плазмы с веществом», «Физическая и магнитная газовая динамика», «Взаимодействие лазерного излучения с веществом». В отчете представлены основные решаемые задачи и результаты, полученные по каждому направлению. По первому направлению проведено расчетно-теоретическое и экспериментальное исследование высокоскоростных течений газа с сильными ударными волнами, а также внутренних течений газа в силовых установках с учетом интенсивных химических реак-ций горения и эффектов турбулентности. Выполнено исследование термогазодинамики модельной камеры сгорания на этилене в сверхзвуковом потоке с целью определения кон-вективного и радиационного нагрева стенок камеры. Проведено тестирование разработан-ного компьютерного кода hySol на примере решения задач вычислительной аэродинамики сверхзвуковых течений с сильными ударными волнами. Представлены и проанализирова-ны результаты расчетов формирования ударной волны в ударной трубе при различных способах начального истечения газа. Исследовано влияния глубины вакуума на измеряе-мые параметры в ходе проведения валидирующих экспериментов на гиперзвуковой удар-ной аэродинамической трубе (ГУАТ). По второму направлению проведено численное исследование дозвуковых течений неравновесной плазмы. Cоздана вычислительная модель течения химически неравновес-ной воздушной плазмы, реализованная в двумерном программном коде IPG2D, осуществ-лена ее валидация на данных экспериментов, проведенных в плазмотроне ВГУ-4 ИПМехРАН. Показано хорошее совпадение по тепловым потокам на охлаждаемые каталитиче-ские поверхности для четырех режимов работы плазмотрона и семи типов покрытий дат-чиков теплового потока в случае воздушной плазмы, и для трех материалов и четырех значений мощности для плазмы азота. Исследован эффект сверхравновесного нагрева вблизи скачка каталитической активности поверхности. Выполнено численное моделиро-вание взаимодействия легкоплавких топлив с высокотемпературным газовым потоком, применительно к процессам в камере сгорания прямоточных и гибридных воздушно-реактивных двигателей. Создана установка для исследования горения твердых топлив в высокотемпературном потоке. Разработан экспресс-метод определения временной эволю-ции температуры плазмы по результатам LIBS-экспериментов, основанный на использо-вании только двух эмиссионных линий, что делает этот метод простым, точным и быст-рым. Проведен анализ моделей горения основных компонентов конденсированных про-дуктов сгорания (КПС) борсодержащих твердых ракетных топлив: бора, карбида бора, нитрида бора и углерода с использованием известных экспериментальных данных. Разви-ты новые аналитические методы построения решений уравнений математической физики, исследованы многопараметрические реакционно-диффузионные системы, состоящие из двух уравнений в частных производных с несколькими пространственными переменными, которые содержат произвольные функции и несколько запаздываний. Исследованы осо-бенности поведения метода прямых вблизи границы области параметров, в которой реше-ния задач с запаздыванием неустойчивы в линейном приближении. По третьему направлению проведены экспериментальные исследования взаимо-действия потоков плазмы с веществом на ВЧ-плазмотронах ВГУ-3 и ВГУ-4 при различ-ных режимах теплообмена. Экспериментально исследованы тепловые режимы кварцевого разрядного канала 100-киловаттного ВЧ-плазмотрона ВГУ-4 при работе на воздухе, азоте и углекислом газа при давлении в барокамере 50 гПа. Исследована термохимическая стойкость образца ультравысокотемпературной керамики ZrB2-HfB2-SiC, допированного 10 об.% углеродных нанотрубок, и образца Ta4HfC5-SiC при воздействии на них сверх-звуковых потоков диссоциированного азота ВЧ-плазмотрона ВГУ-4. В дозвуковых струях воздушной плазмы ВЧ-плазмотронов ВГУ-4 и ВГУ-3 при давлении 50 гПа проведены сравнительные эксперименты по теплообмену в области лобовой точки водоохлаждаемой медной поверхности модели диаметром 50 мм с плоским носком. В совокупности на двух установках реализованы тепловые потоки от 100 до 440 Вт/см2. Проведено численное мо-делирование течений плазмы воздуха, азота и углекислого газа в разрядном канале и об-текания моделей дозвуковыми высокоэнтальпийными струями для условий эксперимен-тов для плазмотронов ВГУ-4 и ВГУ-3. На основе численных расчетов и экспериментальных данных рассчитаны значения эффективного коэффициента каталитической рекомби-нации атомов для материала SiC для трех рабочих газов: воздуха, азота и углекислого га-за. На основании данных многопараметрических расчетов дозвуковых течений плазмы воздуха в разрядном канале ВГУ-3 определена область моделирования аэродинамического нагрева окрестности носка затупленного тела, входящего в атмосферу, в координатах «полная энтальпия - давление торможения» на ВЧ-плазмотроне ВГУ-3. Исследована воз-можность численного моделирования тлеющего разряда в щелевом зазоре в магнитном поле, перпендикулярном току разряда. По четвертому направлению продолжалось развитие моделей физических явлений в космическом пространстве, включая учет отдельных компонент плазмы (нейтральные атомы, захваченные протоны, ускоренные частицы, пылевая компонента) в проблеме взаимодействия солнечного ветра с межзвездной средой. Проинтерпретированы экспери-ментальные данные космического аппарата IBEX, а также продолжена работа по интер-претации данных космических аппаратов Voyager-1 и Voyager-2. Исследована неустойчи-вость тангенциального разрыва применительно к комете Чурюмова–Герасименко с ис-пользованием теории и численных результатов трехмерной магнитогидродинамической (МГД) модели. На основе исследований газодинамических течений в процессах горения и взрыва разработана методика использования оптоэлектронных устройств для методов дистанционного зондирования. Проведено исследование и численное моделирование воз-действия как газодинамического и межфазного сопротивления, так и осевой и поперечной дисперсии при синтезе микронных частиц в прямоточном и трехзонном реакторе. Наконец, по пятому направлению исследование посвящено неустойчивостям не-прерывных оптических разрядов (НОР), возникающих при возбуждении резонансных аку-стических колебаний в замкнутых колбах с ксеноном высокого давления. Представлен де-тальный анализ экспериментальных данных по радиусам конвективного факела и часто-там колебаний НОР в зависимости от давления плазмообразующего газа. Анализ приво-дит к соотношению подобия для частоты колебаний. Соотношение подобия для частоты колебаний оказывается общим для оптических разрядов и ламинарных пламен в условиях преобладающих сил плавучести. Это свидетельствует о гидродинамической природе рас-сматриваемой неустойчивости независимо от способа ввода энергии в виде поглощенного лазерного излучения или химической реакции. Предложен новый метод регистрации вос-пламенения газообразных топлив с помощью термоэлектрического детектора, который хорошо измеряет время задержки воспламенения топлив в микросекундном диапазоне, что характерно для детонационных процессов в камерах сгорания перспективных авиаци-онных двигателей, работающих на детонационном горении. Эффективность применения продемонстрирована на примере воспламенения пропан-воздушной смеси за отраженной ударной волной. Полученные данные сравниваются с данными измерений времени за-держки воспламенения оптическим и пьезоэлектрическим методами. Предложено исполь-зование закономерностей явления НОР для создания перспективных датчиков гравитации. Поскольку НОР представляет собой малогабаритный высокоинтенсивный источник теп-ловой энергии, на его основании возможно создание малогабаритных акселерометров с большим динамическим диапазоном измерений, устойчивых к ударным нагрузкам. Кол-лективом были предложены и оформлены в качестве патентов на изобретения схемы пер-спективных устройств пространственной ориентации и определения ускорения.