Расчёт ионизации методом прямого статистического моделирования Монте-Карло


Просмотр статьи
PDF, 1,5 МБ

Modeling of ionization using direct simulation Monte Carlo method

Direct simulation Monte Carlo method (DSMC) was improved in the low temperature rarefied plasma flow modeling for the first orbital velocity Earth atmosphere entry problem. For the charged and neutral particles collisions variable hard spheres (VHS) model parameters were derived from the Ω-integrals calculation and experimental elastic cross sections data. It was suggested to take energy transfer collisions cross section for the ion-electron collisions. For the sake of method validation OREX and RAM-C flight experiments were modeled. Calculation and experimental electron concentration data were compared. Acceptable agreement was achieved.

direct simulation Monte Carlo method, rarefied gases, nonequilibrium flow, plasma, ionization, OREX, RAM-C


Том 17, выпуск 2, 2016 год



Метод прямого статистического моделирования Монте-Карло адаптирован для решения задачи о входе летательного аппарата в атмосферу Земли с первой космической скоростью в части моделирования течения низкотемпературной разреженной плазмы. Исходя из расчётов Ω-интегралов и сечений упругого рассеяния из литературных источников, подобраны параметры модели твёрдых сфер переменного диаметра для столкновений заряженных частиц с нейтральными. Предложено в качестве сечения столкновения ионов и электронов брать сечение передачи энергии. Для валидации методики рассмотрено обтекание аппаратов OREX и RAM-C. Проведено сравнение расчёта электронной концентрации с экспериментальными данными, получено приемлемое совпадение.

метод прямого статистического моделирования Монте-Карло, разреженные газы, неравновесные течения, плазма, ионизация, OREX, RAM-C


Том 17, выпуск 2, 2016 год



1. Bird G.A. Molecular Gas Dynamics and the Direct Simulation of Gas Flows. Oxford. Clarendon Press. 1994. 458p.
2. Koura K. Null-collision Technique in the Direct Simulation Monte-Carlo Technique, The Physics of Fluids, Vol. 29, 1986, pp. 3509-3511.
3. Кусов А.Л. Численное моделирование обтекания цилиндра со сферическим носком ме-тодом прямого статистического моделирования Монте-Карло // Математическое моделирование, 2015, Т. 27, №12, с. 33-47.
4. Гиршфельдер Дж., Кертисс Ч., Берд Р., Молекулярная теория газов и жидкостей, Изд-во иностранной литературы, 1961, 930с.
5. Физико-химические процессы в газовой динамике. Компьютеризированный справочник в 3-х томах. Том I: Динамика физико-химических процессов в газе и плазме // Под. ред. Чёрного Г.Г. и Лосева С.А. М.: Изд. Моск. ун-та, 1995, 350с.
6. Wright M.J., Bose D., Palmer G.E., Levin E. Recommended Collision Integrals for Transport Property Computations, Part 1: Air Species // AIAA Journal, vol. 43, No. 12, 2005, pp. 2558-2564.
7. Wright M.J., Hwang H.H, Schwenke D.W. Recommended Collision Integrals for Transport Property Computations Part 2: Mars and Venus Entries // AIAA Journal, vol. 45, No. 1, 2007, pp. 281-288.
8. Физические величины: Справочник / Под. Ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова  М.: Энергоатомиздат, 1991, 1232с.
9. Farbar E.D., Boyd I.D. Simulation of FIRE II reentry flow using the direct simulation Monte Carlo method // 40th Thermophysics Conference, 23 - 26 June 2008, Seattle, Washington, AIAA 2008-4103, 20 p.
10. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Механика. M.: Наука, 1988, 216с.
11. Спитцер Л. Физика полностью ионизованного газа. М.: “Мир”, 1965, 212с.
12. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Физическая кинетика. M.: Наука, 1979, 527с.
13. Роуз Д., Кларк М. Физика плазмы и управляемые термоядерные реакции. М.: “Госатом-издат”, 1963, 487с.
14. Смирнов Б.М. Введение в физику плазмы. М.: Наука, 1982, 224с.
15. Смирнов Б.М. Физико слабоионизованного газа в задачах с решениями. М.: Наука, 1988, 423с.
16. Термодинамические свойства индивидуальных веществ: Справочник. Т.1, книга 1 / Под ред. Глушко В.П., М.: Наука, 1978, 497с.
17. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. 3-е изд. перераб. и доп. Долгопрудный: Изда-тельский дом “Интеллект”, 2009, 736с.
18. Moss J.N., Gupta R.N., Price J.M. DSMC simulation of OREX entry conditions. NASA-TM-111621. 1996, pp. 1-6.
19. Горшков А.Б. Гиперзвуковое двумерное обтекание тел вязким химически неравновесным воздухом. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. МФТИ, Долгопрудный, 2002, 218с.
20. Vlasov V.I., Gorshkov A.B., Kovalev R.V., Plastinin Yu.A. Theoretical studies of air ioniza-tion and no vibrational excitation in low density hypersonic flow around re-entry bodies, 1997. AIAA Pap. No. 97-2582.
21. Dunn M.G., Kang S.W. Theoretical and experimental studies of re-entry plasmas // Cornell aeronautical laboratory, Langley Research Center. NASA CR-2232, 1973, 111p.
22. Boyd I.D. Modeling of plasma formation in rarefied hypersonic entry flows, 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit 8 - 11 January 2007, Reno, Nevada. AIAA Pap. No. AIAA 2007-206.
23. Cambier J.-L. A high-order transport scheme for collisional-radiative and nonequilibrium plasma. The Ohio State University, 2009, PhD dissertation, 193p.
24. Cambier J.-L., Kapper M.G. Ionizing Shocks in Argon. Part 1: collisional-radiative model and steady-state structure (preprint), 2010, pp. 1-15.