Название: Гиперзвуковая аэродинамика и тепломассообмен спускаемых космических аппаратов и планетных зондовАвтор: Тирский Г.А.
Издательство: Физматлит
Жанр: аэродинамика и тепломассообмен
Год издания: 2011
Страниц: 546
ISBN: 978-5-9221-1322-9
Язык: Русский
Формат: DjVu
Размер: 87 Мб
Излагаются результаты теоретических и экспериментальных исследований задач сверх- и гиперзвукового обтекания моделей космических аппаратов реальных конфигураций: ВКС "Буран", крылатый конус (конфигурация самолетного типа), Клипер, марсианский межпланетный зонд. Теоретические исследования проводятся на основе решения двумерных и трехмерных уравнений Навье-Стокса и их асимптотически упрощенных моделей, с учетом равновесных и неравновесных химических реакций, протекающих на фоне релаксации возбужденных внутренних степеней свободы частиц в ударном сбое и на обтекаемой поверхности. Развито направление, связанное с разработкой крупных программных комплексов, предназначенных для сопряженного расчета задач баллистики, аэродинамики, тепломассообмена аппарата и тепловой прочности конструкции с переменной массой и формой, на всех этапах проектирования современных образцов ракетно-космической техники.
Монография будет интересна научным работникам и инженерам, работающим в области аэрокосмической техники, студентам старших курсов и аспирантам университетов и физико-технических факультетов технических вузов того же профиля.
Оглавление
Содержание 3
Введение 11
1. Асимптотически упрощенные газодинамические модели сверх- и гиперзвуковой аэродинамики и теплообмена Г. А. Тирский 30
1. Теория пограничного слоя второго приближения 36
2. Композитные системы уравнений вязкой жидкости. Уравнения вязкого ударного сдоя. Параболизованные уравнения Навье-Стокса 42
3. Приближение тонкого вязкого ударного слоя (ТВУС) 44
4. Уравнения вязкого ударного слоя 48
5. Параболизованные уравнения Навье-Стокса (ПУНС) 51
6. Общие замечания.54
7. Уравнения Навье-Стокса 55
8. Численное решение упрощенных У НС. 56
Список литературы 58
2. Обобщенные уравнения вязкого ударного слоя с условиями скольже ния на обтекаемой поверхности и головной ударной волне Г А. Тирский. 65
1. Двумерные уравнения Навье-Стокса в естественной системе координат, связанной с обтекаемой поверхностью 67
2. Граничные условия 72
3. Коэффициенты сопротивления и теплопередачи 79
4. Обобщенные уравнения вязкого ударного слоя при малых, умеренных и больших числах Рейнольдса 80
5. Обобщенные граничные условия на головной ударной волне 81
6. Уравнения Навье-Стокса и граничные условия в переменных Дородницына-Лиза 82
7. Граничные условия в переменных ?, ? 87
8. Оценка порядка коэффициентов системы уравнений НС в переменных ?, ? 90
9. Коэффициенты сопротивления и теплопередачи в переменных ?, ? 92
10. Обобщенные уравнения вязкого ударного слоя е условиями скольжения и скачка температуры на обтекаемой поверхности и обобщенными условиями Ренкина-Гюгонио на головной ударной волне 92
Заключение 97
Список литературы 98
3. Новая форма соотношений переноса «силы через потоки» для многокомпонентных смесей газов и плазмы с точными коэффициентами переноса и ее приложения Г. А, Тирский 100
1. Классическая (старая) форма соотношений переноса в виде «потоки через термодинамические силы» 101
2. Новая точная форма соотношений переноса массы компонентов и тепла смеси, разрешенных относительно градиентов гидродидинамических переменных через потоки, — «силы через потоки». Точные соотношения Стефана-Максвелла. 106
3. Приложения 109
3.1. Уравнения гидродинамики для термохимически равновесных течений многоэлементной плазмы 109
3.2. Эффект разделения химических элементов 111
3.3. Дальнейшие применения новой формы уравнений переноса 112
Заключение 113
Список литературы 114
4. Граничные условия скольжения на каталитической стенке в многокомпонентном многотемпературном химически реагирующем потоке газа с возбужденными внутренними степенями свободы частиц Б. А. Кирюшин, Г, А. Тирский 118
1. Кинетическое обоснование газодинамических уравнений в случае релаксации внутренних степеней свободы для многокомпонентных химически реагирующих смесей газов 118
1.1. Кинетические уравнения и нулевое приближение 118
1.2. Гидродинамические уравнения в нулевом приближении 119
1.3. Первое приближение 120
1.4. Уравнения Навье-Стокса и коэффициенты переноса 122
2. Граничные условия для химически реагирующего газа с различными колебательными температурами компонентов 123
2.1. Кинетические граничные условия 124
2.2. Асимптотическое уравнение и нулевое приближение внутренней задачи 125
2.3. Постановка задачи для первого приближения. 126
2.4. Метод Максвелла-Лоялки и граничные условия. 126
2.5. Применение граничных условии скольжения 129
Заключение 131
Приложение 1 к главе 4 131
Список литературы. 137
5. Физико-химические модели гиперзвуковых течении Г. А. Тирский 138
1. Уравнения сохранения (баланса) массы, импульса и энергии для смесей газов 140
2. Внутренняя энергия компонентов 142
3. Уравнение сохранения (баланса) энергии внутренних степеней свободы частиц 143
4. Уравнение сохранения (баланса) энергии электронной компоненты 144
5. Молекулярные соотношения переноса и коэффициенты переноса 144
6. Потоки энергии внутренних степеней свободы 145
7. Кинетика реакций диссоциации и ионизации для однотемпературной смеси газов и плазмы 147
8. Термически и химически неравновесные режимы гиперзвукового обтекания тел 148
9. Обменные члены в уравнениях баланса энергии внутренних степеней свободы. Эффект колебательно-диссоциационно-колебательного взаимодействия (КДКВ) 150
10. Гетерогенная рекомбинация и гетерогенная дезактивация внутренних степеней свободы частиц 152
11. Взаимодействие обменных газофазных реакций и гетерогенных реакций рекомбинации атомов в диссоциированном воздухе 155
12. Образование возбужденных частиц в потоке и на поверхности обтекаемого тела 155
13. Влияние электронно-возбужденных частиц на кинетику в газовой фазе 158
14. Локально термохимически равновесные течения смесей газов с разными диффузионными свойствами компонентов 158
Заключение 161
Список литературы 162
6. Моделирование каталитических свойств теплозащитных покрытий космических аппаратов В. Л. Ковалев 168
1. Экспериментальные методы и установки 169
2. Данные лабораторных и летных экспериментов 174
3. Теоретические модели гетерогенного катализа при входе в атмосферу Земли 178
4. Гетерогенные каталитические процессы при входе в атмосферу Марса.188
5. Моделирование каталитических свойств теплозащитных покрытий космических аппаратов на основе квантовой механики и молекулярной динамики 193
Заключение 200
Список литературы. 201
7. Численное моделирование на основе уравнений Навье-Стокса течений химически и термически неравновесной воздушной плазмы в разрядном канале и в недорасширенных струях индукционного плазмотрона ВГУ-4 В, Я. Сахаров 209
1. Установка БГУ-4 210
2. Термохимическая модель 211
3. Уравнения Навье-Стокса в интегральной форме 211
4. Расчет течения индукционной плазмы в разрядном канале и в недорасширенных струях, истекающих из звукового сопла плазмотрона. 216
Заключение 227
Список литературы 227
8. Численное исследование особенностей в теплообмене при гиперзвуковом обтекании затупленного конуса, лежащего на треугольной пластине с притупленными кромками В. Я. Сахаров 230
Введение 230
1. Термодинамические свойства 232
2. Химическая и транспортные модели газовой среды 233
3. Геометрия поверхности тела 236
4. Метод решения. 236
5. Построение расчетной сетки 239
6. Параметры набегающего потока и данные для расчета 239
7. Результаты расчетов 240
Заключение. 246
Список литературы 247
9. Модель частичного химического равновесия для решения задач гиперзвукового обтекания тел вязким газом В. И. Сахаров, Г. А. Тирский 248
1. Постановка задачи 251
2. Модель частичного химического равновесия 253
3. Сравнительный анализ решений задачи в рамках уравнений Н-С и ПВУС 255
4. Результаты решения задачи с использованием модели частичного химического равновесия. 260
5. Использование модели частичного химического равновесия в марсианской атмосфере 263
Список литературы 272
10. Численное моделирование теплообмена гиперзвуковых летательных аппаратов при полете в атмосфере земли В. И. Власов, А. Б. Горшков, Р. В. Ковалев, В. В, Лунев 275
Введение. 275
1. Методы расчета 275
2. Физико-химическая модель воздуха. 276
3. Граничные условия 277
4. Тонкая треугольная пластина с притупленным носком в вязком гиперзвуковом потоке. 277
5. Экспериментальное исследование теплообмена на модели ВА 286
6. Обтекание крылатого ГЛА типа среднеплан. 289
7. Обтекание крылатого ГЛА типа нижнеплан. 292
Заключение295
Список литературы 295
11. Теплообмен и структура течения у поверхности межпланетного зонда В, Я. Боровой) И. В. Егоров, А. С. Скуратов 297
Введение. 297
1. Исследованные конфигурации. 300
2. Аэродинамические трубы и параметры потока 302
3. Датчики теплового потока 303
4. Метод численного моделирования ламинарного и турбулентного течения 305
4.1. Постановка задачи. 305
4.2. Осредненные по Рейнольдсу уравнения Навье-Стокса 307
4.3. Моделирование течений реального газа. 310
4.4. Аппроксимация уравнений 313
4.5. Решение нелинейных сеточных уравнений 316
4.6. Решение систем линейных алгебраических уравнений 317
4.7. Об эффективности численного решения сеточных уравнений 322
4.8. Построение расчетной сетки 323
4.9. Разработка комплекса универсальных программ 328
4.10. Исследование сходимости расчетных данных 331
5. Структура течения и теплообмен у поверхности модели № 1 336
5.1. Ламинарное течение 336
5.2, Переходное и турбулентное течение 344
6. Структура течения и теплообмен у поверхности модели № 2 351
6.1. Теплообмен 351
6.2. Длина зоны отрыва 353
7. Сравнение конфигураций № 1 и 2 356
Заключение, 357
Список литературы 358
12. Методология формирования наветренной поверхности возвращаемого с орбиты аппарата крылатого типа с пониженным тепловым воздействием А, В. Белошицкий, А. А. Дядькин, С. В. Журин 362
Список литературы 366
13. Численное моделирование гиперзвукового теплообмена на наветренной стороне ВКС «Буран» Я. Е. Афонина, В. Г. Громов 367
Введение, 367
1. Описание модели среды 369
1.1. Основные параметры среды. Уравнение состояния 369
1.2. Химические реакции в газовой фазе 369
1.3. Термодинамические функции 374
1.4. Модель процессов молекулярного переноса 375
1.5. Модель гетерогенных процессов 379
2. Основные уравнения и метод решения задачи 381
2.1. Система координат 381
2.2. Основные уравнения 383
2.3. Граничные условия 384
2.4. Дискретизация расчетной области. 384
2.5. Система разностных уравнений 386
2.6. Метрические коэффициенты. 389
2.7. Регуляризация разностных уравнений 391
2.8. Организация расчета поля течения 392
2.9. Решение уравнений блока 393
3. Расчет обтекания ВКС «Буран», 394
3.1. Описание наветренной стороны поверхности ВКС «Буран» 394
3.2. Расчетная система координат и разностная сетка 396
3.3. Представление данных расчетов 400
3.4. Анализ результатов расчета теплообмена на наветренной стороне поверхности ВКС «Буран» 404
Заключение 410
Список литературы 410
14. Математическое моделирование процессов тепло- и массообмена при аэротермохимическом разрушении теплозащитных материалов В.В. Горский 413
Введение 413
1. Объект исследований. Термическая деструкция связки 415
2. Гетерогенное химическое взаимодействие между диоксидом кремния и углеродом во внутренних слоях материала. 423
3. Оплавление диоксида кремния 427
4. Механический унос Массы углерода и газообразных продуктов разрушения материала 433
5. Уравнение сохранения количества энергии 436
6. Сублимация конденсированных компонент материала со «стенки» 440
7. Гетерогенные химические реакции, протекающие на «стенке» 441
8. Унос массы диоксида кремния со «стенки». 443
9. Унос масс конденсированного углерода со «стенки» 445
10. Корреляционная связь между Скоростями разрушения конденсированных компонент материала 447
11. Система граничных условий на «стенке». 449
12. Система граничных условий на фронте первичного пиролиза связки 453
Список литературы 454
15. Моделирование турбулентных сжимаемых пристенных течений В, А. Алексия. 458
Введение 458
1 Особенности структуры турбулентных сжимаемых пристенных течений. Алгебраические модели 459
1.1. Структура турбулентного пограничного слоя 460
1.2. Варианты модели Прандтля 462
1.3. Модели эффективных коэффициентов переноса 463
2. Дифференциальные однопараметрические модели турбулентности 467
2.1. Модели с уравнением для турбулентной вязкости 467
2.2. Модель с уравнением для кинетической энергии турбулентности 468
3. Двухпараметрические модели 471
3.1. Двухпараметрические K-L-модели. 471
3.2. Двухпараметрические К-?-модели 472
3.3. Соотношения для линейных К-? моделей 478
3.4. Двухпараметрические K-?-модели 479
4. Трехпараметрические K-F-R-модели 480
5.Модели, основанные на уравнениях для напряжений Рейнольдса 480
5.1. Дифференциальные модели для напряжений Рейнольдса 480
5.2. Модели, основанные на алгебраических соотношениях для напряжений Рейнольдса 482
5.3. Учет в моделях высокого порядка замыкания эффектов сжимаемости 483
Заключение 483
Список литературы 483
16. Численный метод решения уравнений вязкого ударного слоя в широком диапазоне чисел Рейнольдса Б. В. Рогов 488
1. Постановка задачи 489
2. Характеристический анализ системы уравнений БУС и модель парабологиперболического вязкого ударного слоя 494
3. Расщепление продольного градиента давления и метод глобальных итераций 499
4. Маршевый метод решения задачи Коши с трансзвуковой бифуркацией 501
4.1. Численное решение модельной задачи одномерной теории сопла Лаваля 501
4.2. Маршевый метод решения системы уравнений ПГВУС 511
5. Сходимость глобальных итераций 514
5.1. Невязкий ударный слой 514
5.2. Вязкий ударный слой 515
Заключение 517
Список литературы 518
17. Аналитический метод решения уравнений тонкого вязкого ударного слоя при малых числах Рейнольдса И. Г. Брыкина 520
Введение 520
1. Модель тонкого вязкого ударного слоя (ТВУС) при малых числах Re. Двумерные течения 521
2. ТВУС в окрестности линии торможения при трехмерном течении 524
3. ТВУС в окрестности плоскости симметрии при трехмерном течении 525
4. Режимы и параметры гиперзвукового течения разреженного газа 527
5. Асимптотическое решение уравнений ТВУС 528
6. Оценка точности и области применимости аналитического решения. 535
7. Заключение 542
Список литературы 543