научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КИНЕТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ НА РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ РАДИАЦИОННО-КОНВЕКТИВНОГО НАГРЕВА КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА В ЛЕТНОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ FIRE-II Химия

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КИНЕТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ НА РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ РАДИАЦИОННО-КОНВЕКТИВНОГО НАГРЕВА КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА В ЛЕТНОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ FIRE-II»

ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2008, том 27, № 10, с. 63-76

ТЕПЛО- И МАССОПЕРЕДАЧА В ХИМИЧЕСКОЙ КИНЕТИКЕ

УДК 533.92:533.6.01

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КИНЕТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ НА РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ РАДИАЦИОННО-КОНВЕКТИВНОГО НАГРЕВА КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА В ЛЕТНОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ FIRE-II*

© 2008 г. С. Т. Суржиков

Институт проблем механики Российской академии наук, Москва E-mail: Surg@ipmnet.ru Поступила в редакцию 15.03.2007

Аэротермодинамика спускаемых космических аппаратов, входящих в плотные слои атмосферы со сверхорбитальной скоростью, исследуется с использованием компьютерного кода NERAT (Non-Equilibrium Radiation Aero Thermodynamics) и нескольких моделей химической кинетики частично ионизированного воздуха. Рассмотрены условия летного эксперимента Fire-II. Показано, что широко используемые в аэрофизике кинетические модели Парка, Данна-Канга и Мартина-Бортнера обеспечивают удовлетворительное согласие рассчитанных плотностей конвективных потоков измеренным в летном эксперименте. Однако указанные модели предсказывают различный уровень температур в ударном слое, что может оказаться важным для правильного расчета плотностей радиационных тепловых потоков.

ВВЕДЕНИЕ

В ряде проектов исследования Луны и планет солнечной системы с использованием автоматических (а в будущем - и пилотируемых) космических аппаратов, разрабатываются сценарии экспедиций, при которых радиационный нагрев поверхности космического аппарата, входящего в плотные слои атмосферы планет и Земли, становится соизмеримым с конвективным нагревом. Составной частью указанных проектов является развитие компьютерных моделей и кодов, предназначенных для экспертной оценки аэротермодинамических характеристик при различных сценариях входа в плотные слои атмосферы. История аэрофизики спускаемых космических аппаратов насчитывает уже более сорока лет интенсивных исследований. Однако ряд принципиально важных задач из этой области нельзя признать решенными до настоящего времени, в особенности когда возникает необходимость анализа аэротермодинамики космических аппаратов при сверхорбитальном входе, когда весьма существенной становится не только диссоциация, но и ионизация газа в ударном слое. Среди наиболее актуальных задач, вызывающих повышенный интерес специалистов аэрокосмического сообщества, отметим следующие: (1) физико-химическая кинетика вы-

* Статьи, отмеченные звездочкой, были представлены на XXXI Академических чтениях по космонавтике Москва, январь 2007 г.

сокотемпературных диссоциированных и ионизированных газов, (2) свойства переноса частично ионизированных газов в неравновесных условиях, (3) спектральные оптические свойства частично диссоциированных и ионизированных газов,

(4) численные алгоритмы и методы расчета течения вязкого, теплопроводного, излучающего, физически и химически неравновесного газа в двух-и трехмерных объемах сложной геометрии,

(5) модели физической и химической кинетики взаимодействия ионизированных газовых потоков и излучения с материалом тепловой защиты космических аппаратов (включая термодеструкцию тепловой защиты).

Пожалуй, важнейшей проблемой современной аэрофизики является тестирование и аттестация компьютерных кодов, в первую очередь на примере анализа результатов наземных испытаний и летных экспериментов. Практика мировых аэрофизических исследований насчитывает лишь несколько летных экспериментов, в которых измерялись плотности конвективных и радиационных тепловых потоков на поверхности космического аппарата, входящего в плотные слои атмосферы. Летные данные космического эксперимента Нге-П [1, 2] являются наиболее документированными в настоящее время. По этой причине указанные экспериментальные данные широко используются для оценки правильности работы компьютерных кодов.

у, см 120 г

100

80

60

40

20

М

0 20 40 60 80 100 120

140

х, см

Рис. 1. Поле течения (числа Маха) в окрестности космического аппарата Кге-П. Газовый поток набегает слева направо. Области А и Б отвечают двум блокам расчетной сетки; Ь - критическая линия тока (вдоль оси симметрии).

В указанном летном эксперименте производилось измерение плотности суммарного (конвективного и радиационного) теплового потока к поверхности спускаемого аппарата сегментально-конической формы вдоль траектории при начальной скорости входа Ух = 11.4 км/с.

Летные данные проекта Кге-П имеют две принципиально важные особенности. Часть измерений была выполнена в сильно неравновесных условиях в ударном слое, а часть - в условиях, хорошо описываемых моделью локального термодинамического равновесия. До настоящего времени многие попытки расчетно-теоретической интерпретации летных данных Бке-П показывают на значительные расхождения между расчетными и опытными данными [2]. Велико также различие между результатами расчетов плотно-

сти конвективных и радиационных тепловых потоков по отдельности.

В данной работе показано, что в значительной степени эти расхождения объясняются использованием различными авторами разных моделей химической кинетики ионизированного воздуха. Подчеркнем, что каждая из исследованных моделей является достаточно хорошо документированной и обоснованной и, как следствие, достаточно популярной среди аэрофизиков.

Геометрия космического аппарата Нге-П (рис. 1), параметры его траектории и измеренные данные представлены в [3-5]. Указанные данные рекомендованы Европейским космическим агенством для тестовых расчетов [6]. Параметры траектории космического аппарата Бке-П, для которых

Таблица 1. Параметры траектории летного эксперимента Пге-П

Время, Высота, Скорость, Плотность, Давление, Температура,

с км км/с г/см3 эрг/см3 К

1634 76.42 11.36 3.72 ■ 10-8 20.8 195

1637.5 67.05 11.25 1.47 ■ 10-7 92.48 228

1640.5 59.26 10.97 3.86 ■ 10-7 282.1 254

1643.0 53.04 10.48 7.80 ■ 10-7 619.32 276

1648.0 42.14 8.30 3.00 ■ 10-6 2304.0 267

проводились расчеты в данной работе, представлены в табл. 1.

Расчеты проводились с использованием компьютерного кода КБЯАТ, который разработан в ИПМех РАН для решения задач радиационной газовой динамики в режимах слабого и сильного радиационно-газодинамического взаимодействия. В указанном коде численными методами реализуется интегрирование следующих уравнений:

(а) уравнений неразрывности и Навье-Стокса,

(б) уравнения диффузии отдельных химических компонент газовой смеси, (в) уравнения сохранения энергии поступательного движения и колебательной энергии отдельных колебательных мод двухатомных молекул (в рассматриваемом случае, К2, 02), (г) уравнения переноса селективного теплового излучения в многогрупповом приближении. Все уравнения сформулированы в криволинейной системе координат, соответствующей форме космического аппарата. В расчетах использовалась многоблочная геометрия расчетной сетки, а также многосеточная технология ускорения сходимости итерационного процесса решения задачи методом установления. Подробности используемого расчетного метода приведены в [7-9].

МОДЕЛИ ГАЗОФАЗНОЙ ХИМИЧЕСКОЙ КИНЕТИКИ

Хорошо известно, что распределение всех газодинамических параметров в ударном слое, особенно в условиях развитой ионизации газа, в значительной степени определяются процессами равновесной и неравновесной химической кинетики.

Для расчета скоростей протекания химических процессов и, в частности, массовых скоростей образования химических компонент и теплоты, сопровождающих химические превращения, обычно используются константы скоростей прямых и обратных процессов в форме обобщенных аррениусовских зависимостей. Так, для п-ой химической реакции:

к/(г),п = А/(г),пТ"П )' ехр( ' (1)

где А^ п, пдг), п, £дг), п коэффициенты аппроксимации скорости прямой (/) и обратной (г) химической реакции. Массовая скорость образования ]-ой компоненты смеси определяется суммированием по всем химическим реакциям с учетом стехиомет-рических коэффициентов отдельных компонент. Указанная схема расчетов является традицион-

ной и хорошо себя оправдавшей в задачах аэрофизики [10].

Очень сложно (практически невозможно) одновременно измерить в опыте скорости прямых и обратных химических превращений для одной и той же химической реакции при высоких температурах. Классическая термодинамика дает возможность с использованием констант равновесия химических реакций рассчитать скорость одного из процессов, когда известна скорость другого процесса, так как при достижении равновесия между указанными скоростями существует следующее соотношение

кп = к,' п/К п = Ап, ечТПп"" ехр (-Е^)' (2)

где Ап, , пп, е*, е* - аппроксимационные коэффициенты.

Константы равновесия Кп и термодинамические свойства индивидуальных химических компонент могут быть рассчитаны с использованием базы данных [11]. Широко используется также база данных [12].

Система уравнений химической кинетики, которую необходимо проинтегрировать для нахождения массовых скоростей образований компонент смеси, является "жесткой" системой, в особенности при высоких температурах. Это означает, что малые вариации кинетических констант к^ п и кг п (а также других функций в интегрируемой системе) могут привести к заметным различиям в получаемых результатах. Это является чрезвычайно важным для понимания причин значительных различий в численных данных по аэротермодинамике спускаемых космических аппаратов, полученных разными авторами даже для одинаковых условий сверхорбитального входа. К этому следует добавить, что используемые в аэрофизических расчетах константы скоростей процессов (в выбранных цитированными авторами кинетических схемах) на самом деле получены как аппроксимационные константы для некоторых "эффективных" химических реакций, которые на самом деле являются многостадийными. Исходя из этого, становится понятным, что точное решение задачи аэротермодинамики сверхорбитального входа в рассматриваемой постановке невозможно. Вопрос состоит в определении степени влияния отмеченной неопределенности на получаемые результаты.

Для того, чтобы ответить на этот вопрос, в данной работе выполнены расчеты обтекания космического аппарата Бке-П для указанных выше траекторных условий с использованием разных кинетических моделей. При подготовке к

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком