Разработка передовых методов моделирования неравновесных пространственных течений разреженного газа и отечественных кодов на их основе

Надежное предсказание характеристик течений газа в диапазоне разреженности от свободномолекулярного до сплошносредного продолжает оставаться актуальной задачей с конца 50х годов (запуска первого искусственного спутника Земли). Дополнительный интерес к разреженным течениям появился в конце 90х годов и был связан с бурным развитием вакуумных технологий синтеза новых материалов. Примерами важных научных и практических приложений являются задачи внешней аэродинамики возвращаемых аппаратов и космических станций, вакуумные технологии обработки материалов, напыления покрытий и синтеза наноструктур (лазерная абляция, газоструйное осаждение, магнетронное распыление и пр.), задачи проектирования двигателей управления космических аппаратов, микро- и нано-электромеханических систем, а также задачи разработки передовых технологий в областях медицины, электронной промышленности и пр. В настоящее время огромное значение придается возможности анализировать методами численного моделирования практически важные постановки, которые отличаются наличием сложной многомерной геометрии задачи, нестационарными процессами, большими градиентами параметров, физико-химическими процессами, протекающими в газовой фазе и на обтекаемых поверхностях. Сложность рассматриваемых задач требует получения ответа с помощью как минимум двух независимых математических подходов (разные физические модели, методы решения, расчетные коды и команды исполнителей). Существующий выбор отечественного программного обеспечения не обеспечивает такой возможности. Настоящий проект направлен на решение данной проблемы и посвящен разработке новых математических моделей, численных методов и отечественных пакетов программ, предназначенных для детализированного моделирования пространственных неравновесных течений разреженных газов. Планируется существенное расширение возможностей отечественных научных пакетов программ моделирования околоконтинуальных и разреженных течений газа, как по физическим моделям, так и по возможностям моделирования пространственных и нестационарных задач сложной геометрии. В исследованиях будут использованы три разных подхода: прямое статистическое моделирование методом Монте-Карло (DSMC – direct simulation Monte Carlo), решение кинетических уравнений и уравнений сплошной среды. В результате выполнения проекта: (1) будут разработаны новые модели и вычислительный алгоритмы для решения задач динамики разреженного газа, в том числе для расчета течений с процессами ионизации и конденсации, (2) разработанные методы и модели будут имплементированы в отечественные программные продукты, как собственной, так и коммерческой разработки (3) будут получены новые результаты высокоточного моделирования разреженных течений. Помимо этого, в ходе выполнения проекта планируется создать новую базу эталонных решений задач, полученных с использованием всех трех разрабатываемых подходов моделирования, с детальным описанием параметров задачи, расчетных сеток и результатов. Полученные результаты и расчетные сетки будут выложены на рабочую страничку проекта в ФИЦ ИУ РАН и будут доступны все российским исследователям. В качестве таких задач рассматриваются обтекание сегментально-затупленных тел потоком одноатомного и молекулярного газа, истечение газа из сопла двигателя космической станции, струйные течения с процессами конденсации в газовой фазе, а также импульсная лазерная абляция в газе низкого давления. Актуальность тематики проекта подтверждается письмом поддержки от ПАО РКК “Энергия” им. С.П. Королева.