Численное моделирование взаимодействия аргоновой плазмы с углеродным образцом теплозащитного покрытия

Авторы

Савицкий Д. В.^*, Аксёнов А. А.^**, Жлуктов С. В.^***

Объединенный институт высоких температур РАН, ул. Ижорская, 13, стр.2, Москва, 125412, Россия

*e-mail: dmvlsav@yandex.ru
**e-mail: andrey@tesis.com.ru
***e-mail: sz@flowvision.ru

Аннотация

В работе представлена комплексная математическая модель, описывающая течение горячей смеси газов около летательного аппарата (ЛА), унос массы с поверхности ЛА, влияние продуктов абляции на процессы, протекающие в газовой фазе около ЛА, прогрев теплозащитного покрытия (ТЗП) и изменение формы поверхности ЛА. Моделируется обтекание образца углеродного ТЗП аргоновой плазмой. Условия соответствуют эксперименту, проведённому в ОИВТ РАН. Предполагается, что основным механизмом абляции (уноса массы) является сублимация. Расчёты проводятся в программном комплексе FlowVision. Приводятся результаты численного моделирования. Проводится сравнение численных результатов с экспериментальными данными.

Ключевые слова:

гиперзвуковой летательный аппарат, теплозащитное покрытие, плазма, абляция, сопряжённый теплообмен, уравнения Навье-Стокса, численное интегрирование, метод расщепления по физическим процессам

Библиографический список

1. Тирский Г.А., Сахаров В.И., Ковалев В.Л., Власов В.И., Горшков А.Б. Гиперзвуковая аэродинамика и тепломассообмен спускаемых космических аппаратов и планетных зондов. – М.: Физматлит, 2011. – 545 с.

2. Никитин П.В., ШкуратенкоА.А. Влияние каталитически активной поверхности на интенсивность конвективного теплообмена // Труды МАИ. 2016. № 88. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=70574

3. Панкратов Б.М., Полежаев Ю.В., Рудько А.К. Взаимодействие материалов с газовыми потоками. – М.: Машиностроение, 1976. – 224 с.

4. Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. Тепловая защита. – М.: Энергия, 1976, – 392 с.

5. Kuntz D., Hassan B., Potter D. Predictions of Ablating Hypersonic Vehicles Using an Iterative Coupled Fluid/Thermal Approach // Journal of Thermophysics and Heat Transfer, 2001, vol. 15, no. 2, pp. 129 – 139.

6. Zhluktov S.V., Abe T. Viscous Shock Layer Simulation of Air Flow Past Ablating Blunt Body with Carbon Surface // Journal of Thermophysics and Heat Transfer, 1999, vol. 13, no. 1, pp. 50 – 59.

7. Jones R., Weinstein S., Wilcox B., Yeomans D. NASA ISAS Collaboration on the ISAS MUSES C Asteroid Sample Return Mission. The Jet Propulsion Laboratory, Pasadena California, USA, URL: https://trs.jpl.nasa.gov/bitstream/handle/2014/19211/98-0488.pdf?sequence=1

8. Ageev A.G., Kavyrshin D.I., Sargsyan M.A., Gadzhiev M.Kh., Chinnov V.F. Determination of graphite sublimation rate in high enthalpy plasma flow using ‘laser knife’ method // International Journal of Heat and Mass Transfer, 2017, vol. 107, pp. 146 – 153.

9. Chinnov V.F., Tyuftyaev A.S., Kavyrshin D.I., Ageev A.G., Sargsyan M.A., and Gadzhiev M.Kh. Comprehensive Study of the Effect of Plasma Stream on Heat-Resistant Materials // High Temperature, 2018, vol. 56, no.1, pp. 25 – 32.

10. Аксёнов А.А. FlowVision: Индустриальная вычислительная гидродинамика // Компьютерные исследования и моделирование. 2017. Т. 9. № 1. С. 5 – 20.

11. Ashraf A., Yaqub K., Javeed S., Zeeshan S. Sublimation of graphite in continuous and pulsed arcdischarges // Turkish Journal of Physics, 2010, vol. 34, pp. 33 – 42.

12. Hirt C.W., Nicholls B. D. Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries // Journal of Computational Physics, 1981, vol. 39, pp. 201.

13. Aksenov A.A., Zhluktov S.V., Savitskiy D.V., Bartenev G.Y., Pokhilko V.I. Simulation of 3D flows past hypersonic vehicles in FlowVision software // Journal of Physics: Conference Series, 2015, vol. 653, no. 012072, available at: http://iopscience.iop.org/1742-6596/Y2015.

14. Aksenov A.A., Gudzovsky A.V., Serebrov A.A. Electrohydrodynamic Instability of Fluid Jet in Microgravity // Proc. of 5th Int. Symposium on Computational Fluid Dynamics (ISCFD), Aug. 31 – Sept. 3, 1993, Sendai, Japan, 1993, vol.1, pp 19 – 24.

15. Сушко Г.Б., Харченко С.А. Экспериментальное исследование на СКИФ МГУ «Чебышев» комбинированной MPI+threads реализации алгоритма решения систем линейных уравнений, возникающих во FlowVision при моделировании задач вычислительной гидродинамики // Труды международной научной конференции Параллельные вычислительные технологии. (ПаВТ’-2009), (Нижний Новгород, 30 марта – 3 апреля 2009). – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2009. C. 316 – 324.

16. Харченко С.А. Влияние распараллеливания вычислений с поверхностными межпроцессорными границами на масштабируемость параллельного итерационного алгоритма решения систем линейных уравнений на примере уравнений вычислительной гидродинамики // Труды Международной научной конференции «Параллельные вычислительные технологии», (Санкт-Петербург, 28 января – 1 февраля 2008,). — Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2008. – С. 494 – 499.

17. Гаджиев М.Х., Тюфтяев А.С., Саргсян М.А., Демиров Н.А., Щербаков В.В. Диагностический комплекс для исследования взаимодействия плазменной струи с термостойкими материалами // Вестник Дагестанского государственного университета. Естественные науки. 2016. Т. 31. № 1. С. 22 – 27.

18. 18 Tyuftyaev A.S., Gadzhiev M.Kh., Sargsyan M.A., Chinnov V.F., Demirov N.A., Kavyrshin D.I., Ageev A.G. and Khromov M.A. Research methods of plasma stream interaction with heat-resistant materials // Journal of Physics: Conference Series, 2016, vol. 774, no. 012204, URL: http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/774/1/012204.

19. Справочные данные по давлению насыщенных паров, URL: http://www.physics.nyu.edu/kentlab/How_to/ChemicalInfo/VaporPressure/morepressure

Скачать статью