ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВЕСОВЫХ СХЕМ МОНТЕ–КАРЛО ДЛЯ СЛАБОИОНИЗОВАННЫХ РАЗРЕЖЕННЫХ ТЕЧЕНИЙ ГАЗА

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Представлено описание процедур метода прямого статистического моделирования Монте—Карло слабоионизованных течений, возникающих при обтекании возвращаемых космических аппаратов. Для реакций ионизации и рекомбинации приводятся выражения для модельной зависимости вероятности реакций от скоростей и энергий реагентов. Представлен алгоритм диссоциативной рекомбинации, вычислительная эффективность реализации которого достигается обходом моделирования взаимодействия электронов и тяжелых частиц. Изложен подход к построению весовой схемы для упругих столкновений и химических реакций, которая существенно повышает вычислительную эффективность расчетов. Представлен пример использования описанных численных моделей и процедур для исследования слабоионизованного течения около возвращаемой капсулы в типичных условиях входа орбитальных космических аппаратов. Результаты расчетов сравниваются с данными измерений параметров плазмы в летном эксперименте. Библ. 32. Фиг. 4. Табл. 1.

Об авторах

А. А Шевырин

Институт теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН

Email: shevr@itam.nsc.ru
Новосибирск

Е. А Бондарь

Институт теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН

Новосибирск

Список литературы

  1. Bird G. A. Molecular Gas Dynamics and the Direct Simulation of Gas Flows. Oxford: Clarendon Press, 1994.
  2. Kashkovsky A. V., Bondar Ye. A., Zhukova G. A., Ivanov M. S., Gimelshein S. F. Object-oriented software design of real gas effects for the DSMC method // AIP Conf. Proc. 2005. V. 762. N 1. P. 583–588.
  3. Ivanov M. S., Kashkovsky A. V., Vashchenkov P. V., Bondar Ye. A. Parallel object-oriented software system for DSMC modeling of high-altitude aerothermodynamic problems // AIP Conf. Proc. 2011. V. 1333. N 1. P. 211–218.
  4. Shoev G. V., Vashchenkov P. V., Bondar Ye. A. Calculation of the heat flux and pressure on the cone surface in a high-enthalpy non-equilibrium flow of a binary nitrogen mixture (N2/N) // AIP Conf. Proc. 2018. V. 2027. N 1. P. 040010.
  5. Wysong I., Gimelshein S., Bondar Ye., Ivanov M. Comparison of direct simulation Monte Carlo chemistry and vibrational models applied to oxygen shock measurements // Phys. Fluid. 2014. V. 26. N 4. P. 043101.
  6. Galeyev A. Ye., Kashkovsky A. V., Shevyrin A. A., Bondar Ye. A. Comparison of nonequilibrium dissociation models in the direct simulation Monte Carlo method // J. Phys.: Conf. Ser. 2019. V. 1404. P. 012107.
  7. Molchanova A. N., Kashkovsky A. V., Bondar Ye. A. Surface recombination in the direct simulation Monte Carlo method // Phys. Fluid. 2018. V. 30. N 10. P. 107105.
  8. Litvintsev A. S., Molchanova A. N., Bondar Ye. A. Effects of heterogeneous NO production on the aerothermodynamics of high-altitude re-entry // AIP Conf. Proc. 2020. V. 2288. N 1. P. 030090.
  9. Shevyrin A. A., Shkredov T. Yu., Shoev G. V., Bondar Ye. A. Modeling of the plasma environment of re-entry space vehicles // AIP Conf. Proc. 2018. V. 2027. N 1. P. 030031.
  10. Shkredov T., Shoev G., Shevyrin A. Implementation of the tangent-slab approximation for radiation modeling coupled with flowfield computation // AIP Conf. Proc. 2023. V. 2504. N 1. P. 030053.
  11. Lee J.-H. Basic governing equation for flight regimes of Aeroassisted orbital transfer vehicles // AIAA 1984–1729.
  12. Gnoffo P. A., Gupta R. N., Shinn J. L. Conservation equations and physical models for hypersonic air flows in thermal and chemical nonequilibrium // NASA TP V. 2867. 1989.
  13. Kim M. K., Gulhan A., Boyd I. D. Modeling of electron temperature in hypersonic flows // AIAA 2011–1028.
  14. Shevyrin A., Bondar Ye. On the calculation of the electron temperature flowfield in the DSMC studies of ionized re-entry flows // Adv. Aerodyn. 2020. V. 2. N 6.
  15. Bird G. A. Nonequilibrium radiation during re-entry at 10 km/s // AIAA Paper 87–1543. 1987.
  16. Кусов А. Л. Расчет ионизации методом прямого статистического моделирования Монте—Карло // Физ.-хим. кин. в газ. дин. 2016. Т. 17. Вып. 2.
  17. Parent B., Shneider M. N., Macheret S. O. Detailed modeling of plasmas for computational aerodynamics // AIAA J. 2016. V. 54. N 3. P. 898–911.
  18. Kusov A. L., Levashov V. Y., Gerasimov G. Y., Kozlov P. V., Bykova N. G., Zabelinsky I. E. Direct statistical Monte Carlo simulation of argon radiation behind the front of a strong shock wave // Fluid. Dyn. 2023. V. 58. P. 759–772.
  19. Boyd I. D. Modeling backward chemical rate processes in the direct simulation Monte Carlo method // Phys. Fluid. 2007. V. 19. N 12. P. 126103.
  20. Gimelshein S. F., Wysong I. J. Impact of the ionization reaction set in nonequilibrium hypersonic air flows // AIAA J. 2020. V. 58. N 3. P. 1255–1265.
  21. Иванов М. С., Рогазинский С. В. Экономичные схемы прямого статистического моделирования течений разреженного газа // Матем. моделирование. 1989. Т. 1. № 7. C. 130–145.
  22. Shugalevskaia N. V., Shevyrin A. A., Bondar Ye. A. Comparison of modern implementations of the direct simulation Monte Carlo method // J. Phys.: Conf. Ser. 2019. V. 1404. N 012123.
  23. Maltsev R. V. On the Selection of the Number of Model Particles in DSMC Computations // AIP Conf. Proc. 2011. V. 1333. N 1. P. 289–294.
  24. Shevyrin A. A., Bondar Ye. A., Ivanov M. S. Analysis of repeated collisions in the DSMC method // AIP Conf. Proc. 2005. V. 762. N 1. P. 565–570.
  25. Коган М. Н. Динамика разреженного газа (кинетическая теория). М.: Наука, 1967. 440 с.
  26. Ivanov M. S., Markelov G. N., Kashkovsky A. V., Gimelshein S. F. Statistical simulation of high-altitude aerodynamic problems // Proc. 3rd Europ. Symp. on Aerothermodynamics for Space Vehicles, Noordwijk. 1998. ESA SP-426. P. 245–252.
  27. Мальцев Р. В. Численное исследование сверхзвуковых течений разреженных газовых смесей с сильно отличающимися массами компонент. Дис. ... канд. физ.-мат. наук. Новосибирск: ИТ СО РАН, 2014.
  28. Candler G. V., MacCormack R. W. Computation of weakly ionized hypersonic flows in thermochemical nonequilibrium // J. Thermophys. Heat Trans. 1991. V. 5. N 3. P. 266–273.
  29. Суржиков С. Т. Двумерный численный анализ ионизации потока в летном эксперименте RAMC-II // Хим. физика. 2015. Т. 34. № 2. С. 24–42.
  30. Шевырин А. А., Бондарь Е. А., Калашников С. Т., Хлыбов В. И., Дегтярь В. Г. Прямое статистическое моделирование разреженного высокоэнтальпийного течения около капсулы RAM C-II // ТВТ. 2016. Т. 54. № 3. C. 408–414.
  31. Shevyrin A. A., Bondar Ye. A. Coupled kinetic-continuum modeling of reentry vehicle plasma environment // AIP Conf. Proc. 2024. V. 2996. N 1. P. 080015.
  32. Jones W. L., Cross A. E. Electrostatic-probe measurements of plasma parameters for two reentry flight experiments at 25000 feet per second // Tech. Rep. NASA, Washington, D.C., 1972. TN D-6617.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2024