Численное моделирование разреженных газовых струй на основе кинетического и континуального подходов

Проект направлен на улучшение нашего понимания физических механизмов, управляющих динамикой высокоскоростных струй разреженного газа. Предполагается выполнить численное моделирование на основе континуального (уравнения Навье-Стокса) и кинетического (решение уравнения Больцмана методом прямого статистического моделирования, ПСМ) подходов высокоскоростных струй разреженного газа, истекающих в затопленное пространство и вакуум. Континуальные расчеты будут проводиться при достаточно низких числах Рейнольдса, так что при развитии гидродинамических неустойчивостей все динамические масштабы течения могут быть полностью разрешены без необходимости прибегать к полуэмпирическим моделям турбулентности и подсеточным моделям. Прямое статистическое моделирование течений в переходном режиме позволит исследовать влияние эффектов разреженности, которые важны во многих приложениях, в частности связанных с современными микротехнологиями. Будет рассмотрено влияние разреженности на стационарную ударно-волновую структуру нерасчетных струй. Предполагается изучить смену типов отражения в первой бочке струи и ее воздействие на течение в последующих бочках. Особое внимание будет уделено проблеме существования возвратного течения за диском Маха, привлекающей внимание исследователей уже в течение как минимум двух десятилетий. Численное моделирование позволит изучить возникновение и развитие неустойчивостей и начальные стадии перехода к турбулентности в слое смешения нерасчетных струй, а также в расчетных струях, истекающих и сопел с различной формой поперечного сечения. Предполагается выполнить численное моделирование трехмерной ударно-волновой структуры нерасчетных струй, вытекающих из сопел некруглого сечения — прямоугольных и крестообразных. Кроме стационарных в проекте будут изучены и импульсные струи, нестационарные взаимодействия ударных волн в процессе их истечения и процесс формирования в импульсных струях крупномасштабных вихревых структур. Наряду со свободными струями будет моделироваться и натекание струй, как стационарных, так и импульсных, на преграду. Предполагается изучить возникающие при натекании на преграду конфигурации ударных волн, силовое воздействие на преграду, его зависимость от формы сопла, из которого истекает струя. Для струй, истекающих в вакуум с помощью прямого статистического моделирования будут исследованы задачи о формировании возвратного течения при обтекании кромки сопла и возникновение, при быстром расширении газа, неравновесия между продольными и поперечными степенями свободы (замораживание продольной температуры). При выполнении проекта будут использованы высокопроизводительные расчетные коды, развитые в Лаборатории вычислительной аэродинамики ИТПМ СО РАН и позволяющие моделировать течения сжимаемого газа на гибридных вычислительных кластерах, снабженных графическими процессорами — код HyCFS для решения уравнений Навье-Стокса и код SMILE-GPU для прямого статистического моделирования разреженных течений. При выполнении проекта для выбора расчетных параметров, валидации и сравнения вычислительных результатов будет использоваться база экспериментальных данных о сверхзвуковых струйных течениях, созданная в результате измерений, проводившихся в Лаборатории экспериментальной аэрогазодинамики ИТПМ СО РАН, сотрудники которой также участвуют в проекте.