Моделирование неравновесных гиперзвуковых течений на основе континуального и кинетического подходов

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 15-19-30016

НазваниеМоделирование неравновесных гиперзвуковых течений на основе континуального и кинетического подходов

Руководитель Кустова Елена Владимировна, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" , г Санкт-Петербург

Конкурс №9 - Конкурс 2015 года на получение грантов по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований с представлением результатов в рамках международной конференции (конгресса)»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-201 - Процессы тепло- и массообмена

Ключевые слова неравновесная колебательная и химическая кинетика; процессы переноса и релаксации; гиперзвуковые течения; теплоперенос и диффузия; вычислительная аэрогидродинамика; метод прямого статистического моделирования

Код ГРНТИ30.51.25

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект посвящен моделированию неравновесных реагирующих течений около космических аппаратов (КА) в атмосферах Земли и других планет с использованием континуального и кинетического подходов. Цели проекта: создание и апробация новых теоретических моделей неравновесной физико-химической кинетики и процессов переноса в высокотемпературных и высокоэнтальпийных течениях реагирующих смесей газов, применение этих моделей при расчете гиперзвуковых течений воздуха и углекислого газа, разработка эффективного и точного численного подхода для моделирования аэротермодинамики КА в трехмерной постановке вдоль высотного участка траектории на основе современных моделей неравновесных физико-химических процессов и его реализация в программной системе для расчета высокоэнтальпийных неравновесных газовых течений на суперкомпьютерах с гибридной CPU/GPU архитектурой. Актуальность данной тематики обусловлена неослабевающим интересом к проблемам входа летательных аппаратов в атмосферу Земли и Марса, создания эффективной тепловой защиты спускаемых аппаратов, изучению атмосферы Титана и спутников Юпитера, моделированию процессов в ударных трубах, сверхзвуковых и гиперзвуковых экспериментальных установках. Новизна подхода состоит в применении современных многотемпературных моделей и детального поуровнего описания кинетики и процессов переноса, разработанных строгими методами кинетической теории, а также точных молекулярных столкновительных моделей к исследованию течений реального газа; будут исследованы процессы диффузии и переноса тепла на поверхности летательного аппарата с учетом коэффициентов переноса, зависящих от колебательного и электронного состояния компонентов смеси. Будет проведено систематическое сравнение результатов, полученных в рамках механики сплошной среды и методами прямого статистического моделирования. В результате будут даны рекомендации по выбору достаточно простых и численно эффективных, пригодных для использования в реальных инженерных задачах, моделей кинетики и теплопереноса. С помощью этих моделей будет создан мощный программный продукт для моделирования аэротермодинамики спускаемых космических аппаратов. Объединение усилий двух научных коллективов, обладающих огромным опытом в области разработки моделей физико-химических процессов на основе кинетической теории (СПбГУ) и в области разработки средств численного моделирования реальных аэрокосмических задач (ИТПМ СО РАН), обеспечит успешное выполнение проекта.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Кустова Е.В., Облапенко Г.П. Vibration-dissociation coupling in multi-temperature viscous gas flows AIP Conference Proceedings, 1786, 150004 (год публикации - 2016)
10.1063/1.4967645

2. Молчанова А.Н., Кустова Е.В., Кашковский А.В., Бондарь Е.А. Probabilities for DSMC modelling of CO2 vibrational kinetics AIP Conference Proceedings, 1786, 050019 (год публикации - 2016)
10.1063/1.4967569

3. Е. Кустова, М. Мехоношина, Г. Облапенко On the applicability of simplified state-to-state models of transport coefficients Chemical Physics Letters, 686, 161–166 (год публикации - 2017)
10.1016/j.cplett.2017.08.041

4. Кустова Е.В., Савельев А.С., Шарафутдинов И.З. Improvement of simple models for state-to-state and multi-temperature reaction rate coefficients AIP Conference Proceedings, 1786, 150007 (год публикации - 2016)
10.1063/1.4967648

5. Облапенко Г.П., Кашковский А.В., Бондарь Е.А. State-to-state models of physico-chemical processes in Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) computations of 2-dimensional flows 7-TH EUROPEAN CONFERENCE FOR AERONAUTICS AND AEROSPACE SCIENCES (EUCASS) (год публикации - 2017)
10.13009/EUCASS2017-199

6. Г. Шоев, П. Ващенков, Е. Бондарь Numerical study of non-equilibrium high-enthalpy separated flows near a double cone and a wedge AIP Conference Proceedings, 1893, 030043 (год публикации - 2017)
10.1063/1.5007501

7. Е.В. Кустова, А.С. Савельев State-resolved models of chemical reactions for non-equilibrium flow simulations 7-TH EUROPEAN CONFERENCE FOR AERONAUTICS AND AEROSPACE SCIENCES (EUCASS) (год публикации - 2017)
10.13009/EUCASS2017-111

8. Кустова Е.В., Облапенко Г.П. Mutual effect of vibrational relaxation and chemical reactions in viscous multitemperature flows Physical Review E, 93, 033127 (год публикации - 2016)
10.1103/PhysRevE.93.033127

9. Шоев Г.В., Облапенко Г.П., Кунова О.В., Мехоношина М.А., Кустова Е.В. Validation of vibration-dissociation coupling models in hypersonic non-equilibrium separated flows Acta Astronautica, Volume 144, March 2018, Pages 147–159 (год публикации - 2017)
10.1016/j.actaastro.2017.12.023

10. М.Ю. Тимохин, Х. Струхтруп, А.А. Коханчик, Е.А. Бондарь Different variants of R13 moment equations applied to the shock-wave structure Physics of Fluids, 29, 037105 (год публикации - 2017)
10.1063/1.4977978

11. Торрес Е., Бондарь Е.А., Мажан Т.Е. Uniform rovibrational collisional N2 bin model for DSMC, with application to atmospheric entry flows AIP Conference Proceedings, 1786, 050010 (год публикации - 2016)
10.1063/1.4967560

12. Шершнев А.А., Кудрявцев А.Н., Кашковский А.В., Хотяновский Д.В. HyCFS, a high-resolution shock capturing code for numerical simulation on hybrid computational clusters AIP Conference Proceedings, 1770, 030076 (год публикации - 2016)
10.1063/1.4964018

13. Кустова Е.В., Мехоношина М.А. Similarity criteria in vibrationally and electronically excited gases AIP Conference Proceedings, 1786, 150006 (год публикации - 2016)
10.1063/1.4967647

14. Тимохин М.Ю., Струхтруп Х., Коханчик А.А., Бондарь Е.А. The analysis of different variants of R13 equations applied to the shock-wave structure AIP Conference Proceedings, 1786, 140006 (год публикации - 2016)
10.1063/1.4967637

15. Е. Кустова Transport processes and cross-coupling effects in non-equilibrium chemically reacting mixtures 14TH JOINT EUROPEAN THERMODYNAMICS CONFERENCE, 2017 - BUDAPEST, HUNGARY, P. 95-98 (год публикации - 2017)

16. Шоев Г.В., Бондарь Е.А. Numerical study of non-equilibrium gas flows with shock waves by using the Navier–Stokes equations in the two-temperature approximation AIP Conference Proceedings, 1770, 040007 (год публикации - 2016)
10.1063/1.4964076

17. Г.П. Облапенко, А.В. Кашковский, Е.А. Бондарь State-to-state models of vibrational relaxation in Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) Journal of Physics: Conference Series, 815, 012011 (год публикации - 2017)
10.1088/1742-6596/815/1/012011

18. O. Kunova, E. Kustova, M. Mekhonoshina, E. Nagnibeda Non-equilibrium kinetics, diffusion and heat transfer in shock heated flows of N2/N and O2/O mixtures Chemical Physics, Том 463, стр. 70-81 (год публикации - 2015)
10.1016/j.chemphys.2015.10.004

19. E. Kustova, E. Nagnibeda, G. Oblapenko, A. Savelev, I. Sharafutdinov Advanced models for vibrational–chemical coupling in multi-temperature flows Chemical Physics, Том 464, стр. 1-13 (год публикации - 2016)
10.1016/j.chemphys.2015.10.017

20. А.А. Косарева, Е.А. Нагнибеда Vibrational-Chemical Coupling in mixtures CO2/CO/O and CO2/CO/O2/O/C Journal of Physics: Conference Series, 815, 012027 (год публикации - 2017)
10.1088/1742-6596/815/1/012027

21. А.Н. Кудрявцев, А.В. Кашковский, С.П. Борисов, А.А. Шершнев A numerical code for the simulation of non-equilibrium chemically reacting flows on hybrid CPU-GPU clusters AIP Conference Proceedings, 1893, 030054 (год публикации - 2017)
10.1063/1.5007512

22. Кунова О.В., Кустова Е.В., Савельев А.С. Generalized Treanor–Marrone model for state-specific dissociation rate coefficients Chemical Physics Letters, 659, 80-87 (год публикации - 2016)
10.1016/j.cplett.2016.07.006

23. Кунова О.В., Кустова Е.В., Савельев А.С., Шарафутдинов И.З. Уточнение простых моделей коэффициентов скорости неравновесной диссоциации Материалы XI Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ’2016), 25–31 мая 2016 г., Алушта., стр. 89-91 (год публикации - 2016)

24. Кунова О.В., Кустова Е.В., Мехоношина М.А., Шоев Г.В. Numerical simulation of coupled state-to-state kinetics and heat transfer in viscous non-equilibrium flows AIP Conference Proceedings, 1786, 070012 (год публикации - 2016)
10.1063/1.4967588

Публикации