Российские ученые разработали математическую модель, описывающую поведение разреженных газов и плазмы вблизи поверхности твердого тела. Эта модель поможет при проектировании космических аппаратов и микроустройств, используемых, например, в электронике. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Physics of Fluids.
При создании самолетов и космических аппаратов конструкторы используют гидродинамические модели, которые учитывают физические и химические процессы, в том числе реакции между газом и поверхностью твердого тела. Это крайне важно при проектировании систем теплозащиты, препятствующих перегреву спускаемых с орбиты космических аппаратов в плотных слоях атмосферы.
Ранее разработанные модели не совсем подходят для решения таких задач, поскольку рассматривают газ, не учитывая взаимного влияния колебаний его молекул и химических реакций в потоке и на твердой поверхности в сочетании с эффектом проскальзывания газа. Скольжение возникает при достаточной разреженности газа рядом со стенкой аппарата, что наблюдается в атмосфере на больших высотах. Поэтому исследователи пытаются создать новую модель, которая преодолела бы недостатки уже существующих.
Ученые из Санкт-Петербургского государственного университета (Санкт-Петербург) разработали математическую модель, которая согласованно учитывает эффект скольжения и неравновесные процессы, протекающие в месте контакта твердого тела и газа при быстром изменении внешних условий. Предложенные уравнения подробно описывают баланс числа частиц газа на поверхности тела при взаимодействии твердой и газовой фаз. Эти процессы важны для расчета тепла, подводимого к поверхности при спуске аппарата на планету.
На основе созданной математической модели авторы провели численное моделирование течения воздуха у поверхности из кварца, часто используемого для создания теплозащитных материалов. Оказалось, что на взаимодействие газа со стенками находящегося в нем объекта, например космического аппарата в атмосфере, сильнее всего влияет то, насколько газ разрежен. В частности, расчеты с помощью новой модели показали, что при спуске аппарата с орбиты на Землю на высоте 85 километров поток тепла на линии торможения на 25% ниже по сравнению с потоком, получаемым с использованием менее детальных моделей. В дальнейшем это поможет при расчете тепловых нагрузок на корпус устройства.
«Особенно актуальным становится детальное моделирование при проектировании передовых технологичных устройств, например космических аппаратов, спускаемых в атмосферы различных планет, ракетных двигателей и вакуумных установок. Наша модель может эффективно применяться в этих вопросах и при этом не требует больших вычислительных затрат. В дальнейших исследованиях мы планируем смоделировать течения у поверхности из более химически активного веществ, чем кварц, например металлов, так как для них тепловые потоки сильно увеличиваются», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Елена Кустова, профессор Санкт-Петербургского государственного университета.
Рисунок 1. Тепловой поток в пограничном слое на линии торможения с учетом эффекта скольжения и химических реакций. Источник: Елена Кустова.
Нет комментариев