Экспериментальное и теоретическое исследование сверхзвуковых течений газов с плазменными образованиями

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 23-19-00241

НазваниеЭкспериментальное и теоретическое исследование сверхзвуковых течений газов с плазменными образованиями

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 №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 слова экспериментальная 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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

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)
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, Volume 32, Number 12, 125010 (год публикации - 2023)
10.1088/1361-6595/ad13a3

3. Максудова З. М., Савельев А. С., Кустова Е. В. Прогнозирование поуровневых коэффициентов скорости диссоциации при помощи алгоритмов машинного обучения Вестник Санкт-Петербургского университета. Математика. Механика. Астрономия, 11(4), 782–793 (год публикации - 2024)
10.21638/spbu01.2024.413

4. Норкин М. М., Шакурова Л. А., Кустова Е. В. Численное решение задачи Куэтта для течения одноатомного газа в режиме скольжения Вестник Санкт-Петербургского университета. Математика. Механика. Астрономия, Т. 12 (70). Вып. 2, стр. 393–406 (год публикации - 2025)

5. Сайфутдинов А. И., Кустова Е. В. Comparative Analysis of Kinetic Schemes for Simulating DC Micro-Discharges in Helium: from Glow to ARC High Energy Chemistry, Vol. 58, Suppl. 3, pp. S380–S392 (год публикации - 2024)
10.1134/S0018143924701212

6. Ренев М.Е., Добров Ю.В., Лашков В.А., Машек И.Ч., Хоронжук Р.С. Динамика плотности газа в следе импульсного электродного разряда Журнал технической физики, Том 94, № 5, стр. 737-746 (год публикации - 2024)
10.61011/JTF.2024.05.57812.20-24

7. Добров Ю.В., Еременко П.С., Лашков В.А. Обработка данных термоэлектрического преобразователя с учетом свойств материала подложки Журнал технической физики, Том 94, № 5, стр. 708-715 (год публикации - 2024)
10.61011/JTF.2024.05.57808.286-23

8. Шкредов Т.Ю., Шоев Г.В., Шершнев А.А., Кудрявцев А.Н. Моделирование околоконтинуальных течений с использованием программного комплекса HyCFS Прикладная механика и техническая физика, 4 (392), 92-139 (год публикации - 2025)
10.15372/PMTF202415519

9. Ренев М. Е., Добров Ю. В., Осипов Н. Д., Хоронжук Р. С., Машек И. Ч., Лашков В. А. Численное и экспериментальное исследование динамики образования СВЧ-разряда с безыскровой лазерной инициацией Теплофизика высоких температур, том 63, № 2, с. 163–174 (год публикации - 2025)
0.31857/S0040364425020016

10. Добров Ю. В., Лашков В. А., Машек И. Ч., Прокшин А. М., Ренев М. Е., Хоронжук Р. С. Лазерная безыскровая инициация подкритического СВЧ разряда Инженерно-физический журнал, Том 97, № 4, стр. 1078-1090 (год публикации - 2024)

11. Абакарова М.А., Добров Ю.В., Кравченко Д.С., Лашков В.А., Машек И.Ч., Ренев М.Е., Хоронжук Р.С. Microwave Discharge with Sparkless Laser Initiation in Supersonic Flow and the Effect of its Trace on Body Aerodynamics Fluid Dynamics (год публикации - 2025)

12. Ренев М. Е., Кашубо Я. Д., Машек И. Ч., Хоронжук Р. С., Лашков В. А. Исследование влияния СВЧ разряда с безыскровой лазерной инициацией на аэродинамику затупленного тела в сверхзвуковом потоке Аэрокосмическая техника и технологии, Том 3, № 3, с. 387-407 (год публикации - 2025)
10.52467/2949-401X-2025-3-3-387-407

13. Ренев М.Е., Добров Ю.В., Осипов Н.Д., Лашков В.А., Машек И.Ч., Хоронжук Р.С. Probability, Induction Time and Size of a Microwave Discharge with Laser Sparkless Initiation for Various Values of the Gas Pressure and the Laser Pulse Energy Fluid Dynamics (год публикации - 2025)

14. Ренев М.Е., Добров Ю.В., Лашков В.А., Осипов Н.Д., Машек И.Ч., Хоронжук Р.С. Численное и экспериментальное исследование температуры следа лазерноинициированного сверхвысокочастотного разряда Журнал технической физики, том 95, вып. 4, стр. 702-711 (год публикации - 2025)
10.61011/JTF.2025.04.60005.450-24

15. Сайфутдинов А.И., Кустова Е.В., Галиев А.А., Сайфутдинова А.А. Simulation of Microwave Discharge in a Surfatron in Argon Flow at Atmospheric Pressure High Energy Chemistry, Vol. 59, Suppl. 2, pp. S175–S180 (год публикации - 2025)
10.1134/S0018143925700742

16. Мельник М. Ю., Кашубо А. А., Куства Е. В. Validation of state-to-state models of vibrational-chemical kinetics in the problem of air relaxation in the afterglow Fluid Dynamics (год публикации - 2025)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Проведена модернизация аэродинамической установки. Разработана новая схема и конструкция стенда формирования комбинированного разряда. В рабочую камеру аэродинамической трубы установлен интерферометр Фабри-Перо, проведены пуски в покоящейся атмосфере и в сверхзвуковом потоке (М=1,5). Разработана и опробована программа обработки полученных интерферограмм. Разработана конструкция нового пьезодатчика давления, изготовлена партия датчиков, проведена их калибровка на вакуумной ударной трубе. Испытания показали, что технические характеристики датчиков давления позволяют их использование в аэродинамическом эксперименте для измерения быстроменяющихся давлений. Для калибровки градиентных датчиков теплового потока создан специальный стенд; датчики подготовлены к работе в аэродинамическом эксперименте. Проведены экспериментальные и численные исследования сверхзвуковой газодинамики диффузора с постоянным энерговложением. Установлена трубка внутри диффузора для сбора возмущенного энерговложением потока с низким полным давлением, изолирующая его от остальной части диффузора. Получены первые успешные результаты частичного восстановления полного давления в диффузоре. Проводились исследования лазерно-инициированного СВЧ-разряда при низких давлениях, использовались экспериментальные методы измерения активной фазы разряда, интерферометрия следа разряда, численное моделирование. Показано, что лазерная инициация позволяет получать СВЧ-филамент при низких давлениях меньше 100 Торр с температурой несколько тысяч градусов за несколько микросекунд. Лазерная инициация существенно уменьшает разброс характеристик СВЧ-разряда, ее следует подавать синхронно с импульсом СВЧ-излучения. Температура разряда в активной фазе оценивается значениями около 5000-6000 К, след разряда через 12 мкс имеет температуру около 1000-1200 К. Численная модель, основанная на расширенной гидродинамической модели плазмы и модифицированная с учетом лазерного излучения и фотоэффектов, была проверена на соответствие времени индукции разряда и температуры его следа. Модифицированная модель для анализа лазерно-инициированного разряда выдает совпадающее время индукции, а температура следа соответствует экспериментальной в течение первых 10-20 мкс. Проанализировано влияние кинетических схем на параметры разрядов на примере гелия. Рассмотрены две группы схем плазмохимических реакций: расширенная и редуцированная, проведен численный расчёт для двух наборов реакций с анализом чувствительности констант рекомбинаций. Для всех режимов разрядов были получены распределения концентраций заряженных частиц, температуры электронов и тяжёлой компоненты плазмы. Обнаружено заметное влияние кинетической схемы для случая нормального тлеющего разряда, проанализированы причины. Исследованы законы подобия в широком диапазоне. Анализ фаз разряда показал, что с увеличением давления время окончания пробоя уменьшается, но при давлении 380-760 Торр наблюдаются отклонения. В процессе генерации электронов доминируют ступенчатая ионизация и пеннинговская ионизация, а гибель частиц происходит через трехчастичную рекомбинацию. При давлении 47.5 Торр генерация преобладает, но при 285 Торр скорости выравниваются, а при 760 Торр на периферии преобладает рекомбинация. Нагрев газа также влияет на отклонения от законов подобия. Анализ фазы развития разряда показал отклонения по форме и размерам СВЧ-разрядов. При низких давлениях формируются диффузные формы, при высоких — контрагированный разряд. При средних давлениях реализуется промежуточный режим. Отклонения от законов подобия наблюдаются по всем параметрам плазмы, включая концентрации, температуру и размеры плазмоида. Продолжена разработка инструментов для численного моделирования. Реализованы модели неравновесных течений и соответствующих им граничных условий. Проведено моделирование течения аргона между двумя плоскими пластинами с учетом скольжения, показано хорошее соответствие данных результатам прямого статистического моделирования. Проведена оптимизация ресурсоемких расчетов с использованием методов машинного обучения для предсказания поуровневых коэффициентов скорости диссоциации. Протестирован ряд алгоритмов, показано, что нейронные сети с прямой связью продемонстрировали высокую точность (средняя ошибка менее 1%) и ускорение вычислений на 1–2 порядка. В рамках разработанного кода для численного решения уравнений Навье-Стокса-Фурье (далее НС-код), адаптированного к задачам управления сверхзвуковыми течениями с помощью плазменных образований, были реализованы граничные условия изотермической стенки со скольжением и температурным скачком и адиабатной стенки со скольжением. Новый инструментарий позволяет расширить границы применимости НС-кода и более точно моделировать течения газа при околоконтинуальном режиме течения с числами Кнудсена в диапазоне 0.01 < Kn < 0.1. Тестирование и валидация граничных условий нового типа проводилась в рамках двух задач: внешнее течения около цилиндра с юбкой и истечение газа из сопла в разреженную среду. Рассчитанные распределения числа Стантона и коэффициента давления в эксперименте с обтеканием цилиндра совпадают с экспериментальными данными. Прогнозируемое положение точки отрыва и размер отрывной зоны в расчете с граничным условием изотермической стенки со скольжением и скачком температуры показало лучшее соответствие экспериментальным данным. Для задачи об истечении из сопла использование граничного условия адиабатной стенки со скольжением привело к идеальному совпадению с экспериментальными данными по распределению температуры вдоль поверхности вплоть до области вблизи среза сопла. Реализована опция постобработки результатов численного моделирования для мониторинга изменения интегральных поверхностных характеристик во времени после энергоподвода в потоке. Проведено тестирование нового функционала на примере течения после локализованного энерговложения перед клином. Получены зависимости интегрального коэффициента сопротивления от времени в ходе распространения возмущения вниз по потоку.

Публикации