Неравновесные течения газа и плазмы в приложении к аэрокосмическим, экологическим и медицинским технологиям

Проект направлен на решение фундаментальной проблемы детального численного и экспериментального моделирования течений газа и плазмы в условиях, когда существенную роль играет термическая неравновесность. Особенностью проекта является комплексный охват указанной проблемы с точки зрения теории и прямая нацеленность на практические приложения. В результате выполнения проекта будет развит вычислительный инструментарий и методики экспериментальных исследований течений течений газа и плазмы с высокой степенью термической неравновесности. Разработанные средства численного моделирования будут опираться на единый самосогласованный подход, применимый для описания течений сложных газовых смесей, включающих многоатомные молекулы, и их взаимодействия с поверхностью. Особенностью подхода является его универсальность: модели могут использоваться при произвольных отклонениях от равновесия, как в высокотемпературных течениях в условиях входа в атмосферу, так и в условиях низкотемпературной плазмы. Научная значимость и актуальность решения проблемы продиктованы большими вызовами, сформулированными в Стратегии научно-технологического развития РФ. Это необходимость эффективного освоения и использования воздушного и космического пространства, возрастание антропогенных нагрузок на окружающую среду, в также медицинские проблемы, связанные в том числе со старением населения. Термически неравновесные течения газа и плазмы широко встречаются в аэрокосмических, экологических, медицинских и промышленных приложениях. С точки зрения физического описания неравновесные течения представляют существенно большую сложность по сравнение с теми, где наблюдаются термическое равновесие, так как требуют многократно более сложных математических моделей и значительно более детальной информации о протекающих в газе и плазме физико-химических процессах. В настоящем проекте впервые будут построены, в том числе с использованием методов машинного обучения, точные и эффективные модели для описания описания неравновесных физико-химических процессов в смесях молекулярных газов; на их основе будет создан отчуждаемый инженерный пакет прикладных программ для численного моделирования сложных трехмерных неравновесных течений во всем диапазоне чисел Кнудсена в реальных инженерных приложениях; на основе численного моделирования и эксперимента будут детально исследованы различные аспекты аэрофизики неравновесных течений с ударными и детонационными волнами; будет исследован ряд вопросов, связанных с неравновесными течениями в сверхзвуковых нерасчетных струях, в частности, будет исследована конденсация в неравновесных условиях и сформулированы рекомендации по использованию недорасширенных струй с кластерами в технологических приложениях; будут исследованы сложные неравновесные течения многоатомных газов, прежде всего CO2, в приложениях к аэрокосмическим и экологическим задачам; методы численного и экспериментального моделирования неравновесной холодной плазмы будут использованы в разработке широкоапертурных плазменных устройств с целью оптимизации их функциональных характеристик для противоопухолевой терапии и заживления ран с последующим изучением эффективности терапии с использованием неравновесных плазменных струй in vitro и in vivo. Результаты проекта имеют непосредственные технологические приложения, востребованные индустриальными партнерами в различных отраслях экономики Российской Федерации, включая технологии численного моделирования неравновесных течений, реализованную в универсальном программном пакете, обладающим дружелюбным графическим интерфейсом и совместимым с системами автоматического проектирования, использования неравновесной конденсации в газовых струях для задач обработки поверхности, конверсии углекислого газа с использованием термохимической неравновесности, а также технологии и устройства для лечения онкологических заболеваний и заживления ран с использованием инновационных методов плазменной медицины.