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 23-19-00241

НазваниеЭкспериментальное и теоретическое исследование сверхзвуковых течений газов с плазменными образованиями

РуководительКустова Елена Владимировна, Доктор физико-математических наук

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

Период выполнения при поддержке РНФ 2023 г. - 2025 г. 

Конкурс№80 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-105 - Газо- и гидродинамика технических и природных систем

Ключевые словаэкспериментальная аэродинамика, газоразрядная плазма, неравновесные течения, физико-химическая кинетика, процессы переноса, численное моделирование сверхзвуковых течений

Код ГРНТИ30.17.33


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Проект посвящен разработке единого экспериментально-расчетного комплекса для исследования сверхзвуковых течений с плазменными образованиями и неоднородностями полей газодинамических функций. Создание зон локального нагрева и плотностной неоднородности перед обтекаемым телом может заметно менять ударно-волновые структуры вблизи летательных аппаратов и существенно влиять на аэродинамические характеристики и тепловые потоки. Источником нагрева в потоке могут служить плазменные структуры, сформированные с помощью разрядов различного типа: межэлектродных (искровые, барьерные разряды), а также микроволновых. Идея управления сверхзвуковыми течениями с помощью локального подвода энергии была высказана более 20 лет назад, однако ее практическая реализация в аэродинамике летательных аппаратов до настоящего времени отсутствует в связи со сложностями экспериментального и теоретического исследования динамики плазмы в сверхзвуковом потоке. Целью настоящего проекта является создание современного инструмента для комплексного экспериментального, теоретического и численного исследования плазмы разрядов различного типа и их влияния на аэродинамику и теплообмен сверхзвуковых летательных аппаратов. Экспериментальные исследования течений газа будут проводиться на уникальной аэродинамической установке Санкт-Петербургского государственного университета с использованием собственных методик создания плазменных структур в сверхзвуковом потоке. Математические модели течений будут разрабатываться строгими методами кинетической теории неравновесных процессов с привлечением методов физико-химической кинетики. Теоретическое описание и экспериментальное исследование плазмы разрядов будет проводиться современными методами физики низкотемпературной плазмы. Для численного моделирования сверхзвукового обтекания тел с учетом плазменных структур в потоке будет разработан новый специализированный программный комплекс; это послужит целям импортозамещения коммерческих вычислительных пакетов. Будет проведено систематическое исследование кинетики и динамики разрядов различных типов, быстрого локального нагрева газа с помощью плазмы и его влияния на изменение аэродинамических характеристик тел разной формы и тепловых потоков на их поверхности, даны практические рекомендации по оптимальным параметрам плазменных образований. Актуальность предлагаемых исследований обусловлена необходимостью решения целого ряда современных научно-технических проблем: снижение силовых и тепловых нагрузок на высокоскоростные летательные аппараты, моделирование входа космических аппаратов в атмосферы планет, информационное обеспечение сверхзвукового полета в атмосфере, изучение течений газов в высокоэнтальпийных установках, исследование процессов горения. Исследования разрядов при атмосферном давлении актуальны не только для современной аэрокосмической промышленности, но и в материаловедении, медицине, экологии. Особенностью проекта является эффективное сочетание теоретических, экспериментальных и численных методов исследования. Проект носит междисциплинарный характер, объединяя направления экспериментальной аэромеханики, кинетической теории неравновесных процессов, физической химии, физики низкотемпературной плазмы, лазерной физики, оптики, математического моделирования сред и технических устройств. Научный коллектив проекта объединяет ведущие научные школы в области газоразрядной плазмы и вычислительной аэромеханики и обладает опытом успешной реализации научных проектов, в том числе Российского научного фонда, что обеспечит выполнение поставленных задач.

Ожидаемые результаты
При работе над проектом планируется получение результатов по четырем основным направлениям: 1) Построение и дальнейшее развитие строгих теоретических моделей неравновесных течений газов и плазмы со сложными физико-химическими процессами. На основе кинетической теории газов в рамках континуального подхода будут разработаны расширенные газодинамические модели (поуровневые, многотемпературные, гибридные) для описания кинетики, динамики и теплопереноса в сверхзвуковых течениях с плазмохимическими реакциями и возбуждением колебательных и электронных состояний. Будет проведена валидация моделей путем сравнения с экспериментом. 2) Экспериментальное и численное исследование разрядов разного типа при среднем и атмосферном давлении. Будет изучена динамика СВЧ-разряда в воздухе для фокусирующей системы, используемой в аэродинамическом эксперименте. Для атомарных и молекулярных газов будет проведено экспериментальное и численное исследование перехода тлеющего разряда в дуговой. Результаты численного моделирования будут сопоставлены с собственными экспериментальными результатами и имеющимися в литературе экспериментальными данными. 3) Разработка специализированного программного продукта для моделирования неравновесных течений с локальными неоднородностями, созданными плазменными структурами, в целях импортозамещения коммерческих пакетов прикладных программ. Расчетный код для численного решения уравнений Навье-Стокса-Фурье, адаптированный к задачам управления сверхзвуковыми течениями с помощью плазменных образований, будет создан на базе гибридного вычислительного кода HyCFS-R, разрабатываемого лабораторией Вычислительной аэродинамики ИТПМ СО РАН. В программном комплексе будут реализованы разработанные в проекте новые модели кинетики и процессов переноса с возможностью выбора моделей в зависимости от условий задачи. Код будет применяться для численного сопровождения экспериментов, для тестирования и совершенствования используемых моделей; планируется его дальнейшее использование на практике, в проектах ЦАГИ и РКК «Энергия». 4) Экспериментальное и численное исследование задач внешнего обтекания и внутренних течений с учетом плазменных образований. Результаты, полученные по указанным выше направлениям, будут использованы при исследовании влияния плазменных структур и неоднородностей течения на аэродинамические характеристики и тепловые потоки при сверхзвуковом обтекании тел различной формы. Будут сформулированы условия, при которых достигается максимальное снижение силовых и тепловых нагрузок. Будет изучена газодинамика диффузора в сверхзвуковом потоке газа, определены факторы, повышающие эффективность его работы, оптимальные параметры разрядов и других способов создания неоднородностей потока. Заинтересованность в использовании данных результатов при проектировании высокоскоростных летательных аппаратов выразили ЦАГИ и РКК «Энергия». В результате применения междисциплинарного подхода будет разработан единый экспериментально-теоретический инструментарий для исследования неравновесных сверхзвуковых течений газа с плазменными образованиями. Будут проведены обширные экспериментальные и численные исследования плазмы разрядов различного типа, оценена роль плазменных структур в задачах внешней сверхзвуковой аэродинамики и газодинамики внутренних течений. Будет создан программный комплекс для численного моделирования сверхзвуковых течений с плазменными образованиями и другими локальными неоднородностями газодинамических переменных. На основе систематических экспериментальных и численных исследований будут выработаны рекомендации по применению неоднородности набегающего сверхзвукового потока, созданной с помощью газового разряда, с целью управления газовым потоком и изменения тепловых и силовых нагрузок на теле. Разработанный в проекте комплексный подход послужит предпосылкой для получения фундаментальных научных результатов мирового уровня в нескольких областях знаний. Будет выполнен большой объём научно-исследовательских работ в части разработки научно-технической продукции и технологий, не имеющих аналогов, как в России, так и за рубежом . Кроме того, одной из важных задач проекта является импортозамещение в части создания отечественного специализированного программного продукта, который может использоваться на предприятиях аэрокосмической отрасли России при проектировании новых перспективных высокоскоростных летательных аппаратов и космической техники. К заявке прилагаются письма поддержки настоящего проекта от ЦАГИ им. Н.Е.Жуковского, РКК «Энергия» и Уфимского государственного авиационного технического университета, что подтверждает актуальность и востребованность исследований.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В отчетном периоде исследования проводились в нескольких направлениях: - Развитие самосогласованных теоретических моделей, учитывающих детальную колебательную, химическую, электронную кинетику в разряде и в сверхзвуковом потоке газа, процессы переноса при сильных отклонениях от равновесия, гетерогенные реакции на поверхности и эффекты разреженности газа. - Подготовка и проведение экспериментальных исследований влияния разрядов на параметры обтекания различных тел в сверхзвуковом потоке. - Численное моделирование кинетики и динамики разрядов, быстрого нагрева газа в разряде, сравнение с экспериментальными данными. - Разработка собственного кода для моделирования течений вязких реагирующих газов при наличии энерговложения в поток; реализация в коде построенных теоретических моделей. В рамках теоретического исследования построены самосогласованные математические модели для описания неравновесных течений многокомпонентных смесей газов при сильных отклонениях от равновесия в различных приближениях: поуровневом, многотемпературном, гибридном. Разработан новый подход к моделированию граничных условий скольжения в рамках детального поуровневого приближения с учетом колебательно-химической кинетики и неравновесных физико-химических процессов на поверхности: адсорбции, десорбции, переходов колебательной энергии и гетерогенных реакций. Подход допускает описание течений разреженных газовых смесей моделями различной степени точности, включая однотемпературные, многотемпературные и детальные поуровневые. В рамках поуровневого приближения получены граничные условия скорости скольжения, скачка температуры, числовых заселенностей. Оценка влияния граничных условий на гидродинамические параметры и тепловые потоки проведена на примере моделирования течения смеси воздуха в пограничном слое на линии торможения. При рассмотренных условиях скачок температуры играет доминирующую роль в значениях теплового потока вблизи стенки по сравнению с ролью гетерогенных реакций. Результаты моделирования также показывают вклад ключевых характеристик при различной степени разреженности газа: увеличение влияния гетерогенных реакций и уменьшение эффектов скачка температуры при уменьшении степени разреженности. В рамках настройки экспериментальной базы подготовлена рабочая часть сверхзвуковой аэродинамической трубы для проведения экспериментов, в частности, проведена настройка оптической системы для подвода и фокусировки лазерного излучения в нужную область для получения стабильной реализации лазерно-инициированного оптического пробоя в сверхзвуковом потоке газа при статическом давлении набегающего потока 80-110 Торр; проведена подготовка зеркал интерферометра Фабри-Перо и управляющих пьезоприводов перед установкой в камеру; изготовлены различные экспериментальные модели (диффузор, цилиндр, полусфера) для проведения исследования; проведена настройка системы регистрации и синхронизации экспериментальных данных. Разработана модель градиентного датчика теплового потока, учитывающая теплофизические свойства подложки, на которой установлен датчик. Рассмотрена математическая модель двухслойной бесконечной пластины, на тыльной стороне подложки температура стенки зафиксирована. Результаты анализа показывают, что временная зависимость безразмерной разности температур значительно зависит от теплофизических параметров и толщины подложки. Проведено численное и экспериментальное исследование взаимодействия следа разряда с ударной волной на входе в канал диффузора. Сравнение результатов расчетов с предварительными экспериментальными данными показало, что основным механизмом, влияющим на изменение полного давления в канале диффузора, является не изменение ударно-волновой конфигурации перед телом и появление вихревого течения, а прохождение плотностной неоднородности, образовавшейся после энерговложения, по каналу диффузора. Выполнено экспериментальное исследование влияния плотностной неоднородности на давление в критической точке полусферы и торца цилиндра при числе Маха набегающего потока М = 1,5-2 и статическом давлении 80-110 Торр. Изучена динамика потока, формирования вихря и распада ударной волны. Эксперименты показывают, что в критической точке во время взаимодействия наблюдается значительное снижение давления торможения, эффект наблюдается порядка 100 мкс. Максимальное снижение давления торможения при М=1,5 в критической точке торца цилиндра составило 20%, полусферы – 30%. Разработана, изготовлена и испытана оптическая система ввода лазерного луча через модель в сверхзвуковом потоке для задач лазерной инициации СВЧ разряда. Проведена серия экспериментов. Лазерно-инициированный СВЧ разряд значительно отличается от обычного СВЧ разряда. Новый вид СВЧ разряда быстрее зажигается, точнее располагается в пространстве. Уменьшаются пропуски зажигания, увеличивается порог зажигания по давлению. Разработана численная модель для согласованного расчета СВЧ-плазмы, газодинамики, заданных эффектов лазерного излучения. По результатам расчета сделан вывод о том, что основной механизм образования СВЧ плазмы с безыскровой лазерной инициацией в подкритическом СВЧ-поле основывается на прогреве проводящего следа лазерного излучения с понижением плотности среды. Созданная численная модель дает результаты, соответствующие экспериментальным (время образования разряда, диапазон горения разряда по давлению). На основе расширенной гидродинамической модели и детальной кинетической схемы плазмохимических реакций численно исследована динамика вытягивания одиночного СВЧ-плазмоида в азоте, формирования его диффузной формы, и динамики его филаментации по условиям экспериментов. Получены распределения всех основных параметров плазмы в широком диапазоне давлений газа и вкладываемой мощности в разряд: концентрации электронов, заряженных и возбужденных частиц, колебательной и поступательной температуры, температуры электронов и напряженности самосогласованного электрического поля в плазме. Показано хорошее согласие с данными эксперимента по нагреву газа и концентрации электронов. Разработан расчетный код для численного решения уравнений Навье-Стокса-Фурье (НС-код), адаптированный к задачам управления сверхзвуковыми течениями с помощью плазменных образований. Для этого НС-код позволяет задать источниковый член в заданный промежуток времени или с некоторой периодичностью, а также определить единовременное изменение примитивной или консервативной переменной. Для верификации и валидации НС-кода проведен ряд тестов: распространение ударной волны вследствие мгновенного выделение энергии в неподвижном газе, течение с энерговыделением конечного времени действия перед клином с присоединенным скачком, течения около цилиндра с юбкой и внутри сопла. Результаты расчетов распространения ударной волны вследствие выделения энергии в неподвижном газе согласуются с эталонными решениями и данными эксперимента. Результаты моделирования течения с энерговыделением перед клином совпадают с результатами, полученными в Ansys Fluent. Рассчитанное распределение числа Стантона вдоль поверхности цилиндра с юбкой соответствует данным эксперимента, однако, наблюдается отличие в положении точки отрыва потока. Результаты расчета течения в сопле совпадают с экспериментальными измерениями температуры вдоль оси симметрии сопла при высоком числе Рейнольдса. Все задачи первого этапа проекты выполнены. Результаты работы над проектом докладывались на двух всероссийских и двух международных конференциях (всего пять докладов), освещались в научно-популярных публикациях в СМИ. Результаты опубликованы в двух статьях в журналах первого квартиля Physics of Fluids и Plasma Sources Science and Technology. Кроме того, подготовлены к публикации и находятся на рассмотрении две статьи в Инженерно-физическом журнале (ИЖФ, Q2) и Журнале технической физики (ЖТФ, RSCI).

 

Публикации

1. Л.Шакурова, И.Арменисе, Е.Кустова State-specific slip boundary conditions in non-equilibrium gas flows: Theoretical models and their assessment Physics of Fluids, Physics of Fluids 35, 086109 (2023) (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1063/5.0161025

2. Сайфутдинов А.И., Кустова Е.В. Simulation of Filamentation Dynamics of Microwave Discharge in Nitrogen Plasma Sources Science and Technology, - (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1088/1361-6595/ad13a3

3. - Ученые СПбГУ разработают экспериментально-расчетный комплекс для исследования сверхзвуковых течений с плазменными образованиями и неоднородностями полей газодинамических функций Сайт математико-механического факультета СПбГУ, - (год публикации - )

4. - Математическая модель оптимизирует проектирование теплозащиты космических аппаратов Сайт РНФ, - (год публикации - )

5. - Ученые СПбГУ разработали математическую модель, позволяющую оптимизировать проектирование теплозащиты космических аппаратов сайт СПбГУ, - (год публикации - )