Численное моделирование в задачах орбитальной и высотной аэротермодинамики космических аппаратов

Номер гранта:15-58-52044
Область научного знания:фундаментальные основы инженерных наук
Тип конкурса: («м_а»)(«м_а») международные конкурсы фундаментальных научных исследований
Год выполнения:2015г.
Руководитель: Бондарь ЕвгенийАлександрович
Статус заявки:поддержана

Аннотация к заявке:

Данный проект ориентирован на разработку, кросс-верификацию и валидацию кинетических (метод прямого численного моделирования, ПСМ) и континуальных (уравнения Навье-Стокса) расчетных программ, предназначенных для моделирования орбитальной и высотной аэротермодинамики космических аппаратов. Эти расчетные программы разработаны или разрабатываются Российской и Тайваньской исследовательскими группами, направляющими настоящую заявку. Будут исследованы гиперзвуковые течения как без учета химических реакций, так и течения с химическими реакциями около тел с простой и сложной геометрией. При моделировании реагирующих течений методом ПСМ, традиционная (модель полной столкновительной энергии, TCE) и новые молекулярные химические модели будут валидированы сравнением с экспериментом и в дальнейшем использованы при моделировании аэротермодинамики нескольких реальных возвращаемых аппаратов: «Аполлон», «Орион», микро- и нано-спутников (например, CubeSat). На основе кинетического и континуального подходов при параметрах вдоль траектории спуска будут получены аэротермодинамические характеристики (распределение тепловых нагрузок и давления на поверхность, силы и моменты). Не смотря на то, что в мире существует целый ряд расчетных программ, основанных на разных численных методах, подробная кросс-верификация программ, основанных на кинетическом и континуальном подходе к описанию течений, практически не проводилась. В данном совместном трехлетнем проекте мы предлагаем провести такую кросс-верификацию и валидацию программ, разработанных Российской (ИТПМ СО РАН) и Тайваньской (NCTU) группами исследователей для моделирования орбитальной и высотной аэротермодинамики гиперзвукового обтекания космических аппаратов с эффектами разреженности, а также термической и химической неравновесности течения.

Аннотация к отчету по результатам реализации проекта:

Данный проект ориентирован на разработку, кросс-верификацию и валидацию кинетических (метод прямого численного моделирования, ПСМ) и континуальных (уравнения Навье–Стокса) расчетных программ, разработанных Российской (ИТПМ СО РАН) и Тайваньской (NCTU) группами исследователей и предназначенных для моделирования орбитальной и высотной аэротермодинамики космических аппаратов. Исследуются высокоскоростные термически неравновесные течения, как без учета химических реакций, так и течения с химическими реакциями около тел простой и сложной геометрической формы. Особое внимание уделено расчетным программам, предназначенным для использования на современных гибридных супер-ЭВМ, основанных на графических процессорах. Проведена тщательная верификация и кросс-верификация различных программных систем, основанных на методе ПСМ, который фактически является стохастическим методом решения системы обобщенных кинетических уравнений Больцмана для многокомпонентной смеси, и программ, основанных на уравнениях Навье-Стокса. На примере гиперзвукового течения около конуса с юбкой показано хорошее совпадение численных результатов, полученных Российской и Тайваньской сторонами с использованием их авторских программ. Эти результаты также хорошо согласуются с экспериментальными данными. С использованием авторских программ получено хорошее согласие численных данных при обтекании сферы гиперзвуковым воздушным потоком в условиях входа в атмосферу Земли со скоростью близкой к первой космической. Результаты расчетов ионизованного течения для условий, соответствующих входу в атмосферу с первой космической скоростью, хорошо согласуются с данными летного эксперимента по плотности плазмы около возвращаемого аппарата. Проведены расчеты течения около возвращаемого аппарата, входящего в атмосферу Земли со скоростью близкой ко второй космической скорости, и получено хорошее согласие численных данных по тепловому потоку на поверхность аппарата с доступными литературными данными. Разработан инженерный подход и выполнена его программная реализация для оценки времени жизни микро- и наноспутников на орбите и высоты их полного теплового разрушения. С использованием разработанной программы проведены численные исследования траектории спуска и высоты разрушения спутников CubeSat одно-, двух- и трехмодульной конфигураций. Сравнение с результатами моделирования более точным методом ПСМ для больших высот полета показало высокую точность вычисления аэродинамических характеристик. Проведенное моделирование позволяет утверждать, что время жизни спутника линейно зависит от его массы. Большую часть срока службы спутники проводят на большой высоте при обтекании в свободномолекулярном режиме. Уровень солнечной активности существенно влияет на время жизни спутников благодаря сильному влиянию на плотность атмосферы на больших высотах. Усиление солнечной активности увеличивает плотность атмосферы и, соответственно, уменьшает время жизни спутников. Проведена разработка и анализ моделей и алгоритмов для описания процессов поступательно-вращательного, поступательно-колебательного и колебательно-колебательного обменов и химических реакций в рамках метода ПСМ, пригодных для использования на гибридных супер-ЭВМ с большим числом графических процессоров. Выполнена реализация этих моделей в программном комплексе семейства SMILE. Для верификации этого программного комплекса проведено исследование аэротермодинамики капсулы «Аполлон» вдоль высотного участка траектории спуска для сравнения с хорошо проверенными программными комплексами для расчетов на компьютерах с центральными процессорами. Получено хорошее согласие численных данных и показан значительный прирост производительности вычислений с использованием графических ускорителей.
Аннотации к заявке и отчету приведены в авторской редакции. по состоянию на 17.05.2021.

Библиография

Приведена в авторской редакции.
Помог ли вам материал?
0    0