Non-equilibrium kinetics and transport processes in supersonic carbon dioxide flows around blunt bodies
We consider the supersonic CO2 flow field around the space vehicle in the Martian atmosphere. A flow around the vehicle is simulated in the frame of the viscous shock layer model taking into account bulk viscosity effects. It is supposed that in the shock layer, non-equilibrium chemical reactions as well as non-equilibrium vibrational excitation of СО2 molecules take place. The results obtained using the three-temperature vibrational relaxation model, are compared with the ones based on simpler approaches. Transport coefficients of a multi-component gas mixture determined in accordance to the kinetic theory are compared with the coefficients calculated using approximate expressions. The influence of bulk viscosity and thermo-chemical processes proceeding in a dissociating and relaxing gas mixture on the shock layer flow parameters and the heat flux to the surface of a specific vehicle reentering the Mars atmosphere is analyzed.
Рассматривается сверхзвуковое обтекание космического аппарата в моделирующем атмосферу Марса потоке углекислого газа. Течение около аппарата рассчитывается в рамках модели вязкого ударного слоя с учетом объемной вязкости. Считается, что в ударном слое происходят неравновесные химические реакции и имеется неравновесное возбуждение колебательных степеней свободы молекул СО2. Проводится сравнение результатов, полученных на основании трехтемпературной модели колебательной релаксации и более простых приближений. Коэффициенты переноса многокомпонентной газовой смеси, определенные в соответствии с результатами кинетической теории, сравниваются с аппроксимационными выражениями. Анализируется влияние объёмной вязкости и термохимических процессов, происходящих в диссоциирующей и релаксирующей газовой смеси, на параметры течения в ударном слое и теплопередачу к поверхности конкретного аппарата при спуске в атмосфере Марса.
1. Kustova E., Nagnibeda E. On a correct description of a multi-temperature dissociating CO2 flow // Chem. Phys. 2006. Vol. 321. P.293–310.
2. Шевелев Ю. Д. Пространственные задачи вычислительной аэрогидродинамики. М.: Наука, 1986. 367с.
3. Пилюгин Н.Н., Тирский Г.А. Динамика ионизованного излучающего газа. М.: Изд- во МГУ, 1989. 312с.
4. Головачев Ю. П. Численное моделирование течений вязкого газа в ударном слое. М: Наука, 1996. 376с.
5. G.A. Tirsky. Up-to date gasdynamic models of hypersonic aerodynamics and heat transfer with real gas properties.// Fluid Mech. 1993, 25, 151-181.
6. Losev S.A., Kozlov P.V., Kuznezova L.A. Makarov V.N., Romanenko Yu.V., Surzhikov S.T., Zalogin G.N. Radiation of CO2-N2-Ar mixture in a shock wave: experiment and modeling. Proceedings of the Third European Symposium on Aerothermodynamics for Space Vehicles, ESTEC, Noordwiik. The Netherlands. ESA SP-426. 1998. P.437–444.
7. Taylor R.L., Bitterman S. Survey of vibrational relaxation data for processes important in the CO2+Ar laser systems // Rev. Mod. Phys.1969. Vol. 41. Nо. 1. P.26-47.
8. Гиршфельдер Д., Кертисс Ч., Берд Р. Молекулярная теория газов и жидкости. М.: Изд-во иностр. лит., 1961.
9. Шевелев Ю.Д., Сызранова Н.Г. Влияние различных моделей химических кинетики на сверхзвуковое обтекание затупленных тел потоком углекислого газа// Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2007. Том 5,URL: http://www.chemphys.edu.ru/pdf/2007-12-17-001.pdf.
10. Мс. Kenzie R.L., Arnold J.O. Experimental and theoretical investigation of the chemical kinetics and non-equilibrium CN radiation behind shock waves in CO2-N2-mixtures//AIAA paper, 1967, No.322.
11. С.Park, J.Howe, R.Jaffe. Review of Chemical-Kinetic Problems of future NASA Mission,II: Mars entries. Journal of Thermophysics and Transfer, 8(1) 9-23, 1994.
12. Ибрагимова Л.Б. Константы скорости химических реакций в высокотемпературном газе СО2. Математическое моделирование, 2000. Т.12, №4. С.3–19.
13. Park C. Nonequilibrium Hypersonic Aerothermodynamics. N.Y. Wiley-Intern. Publ.1990.
14. Marrone P.V., Treanor C.E. Chemical Relaxation with Preferential Dissociation from Excited Vibrational Levels // Phys. Fluids. 1963. Vol. 6. No. 9. P.1215.
15. Нагнибеда Е.А., Кустова Е.В. Кинетическая теория процессов переноса и релаксации в потоках неравновесных реагирующих газов. СПб.: Изд-во С.-Петерб. Ун-та, 2003. 272 с.
16. Тирский Г.А. Вычисление эффективных коэффициентов диффузии в ламинарном диссоциированном многокомпонентном пограничном слое // ПММ, 1969. № 1.
17. A. Ern and V. Giovangigli. Multicomponent Transport Algorithms. New-York, Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 1994. 427 p.
18. Wilke C.R. A viscosity equation for gas mixture // J. Chem. Phys. 1950. Vol.18, No. 4. P.517–522.
19. Mason E.A., Saxena S.C. Approximate formula for the conductivity of gas mixture // Phus. Fluids. 1958. Vol. 1. No. 5. P.361-369.
20. Калинин А.П., Леонас В.Б., Сермягин А.В. Интегралы столкновений для компонент диссоциированных планетных атмосфер.//Теплофизика Высоких температур. 1971. Т.9. №5. С.1066-1068.
21. Blottner F.G., Curties C.F., Bird R.B. Chemically reacting viscous flow program for multicomponent gas mixtures // Report No. SC-RR-70-751, Sandia Laboratories, Albuquerque, New Mexico. Dec. 1971.
22. Armaly B., Sutton K. Thermal conductivity of partially ionized gas mixtures // AIAA Paper. 1982. No. 469. 6p.
23. Wilke C.R. Diffusional properties of multicomponent gases // J.Chem. Eng.Progr. 1950. V.46, No,2, p.95-104.
24. L. Monchick, A.N.G. Pereira, E.A. Mason, J. Chem.Phys.42 (1965) 3241.
25. Сергиевская А.Л., Ковач Э.А., Лосев С.А. Опыт информационно-математического моделирования в физико-химической кинетике. М.: Изд-во МГУ. 1995. 253с.
26. Тирский А.Г., Щербак В.Г. Влияние колебательной релаксации при обтекании тел химически неравновесным воздухом с учетом вязкости// МЖГ. №1, 1990. С.151-157
27. P.A. Gnoffo, K.J. Wielmuenster, H.H. Hamilton. Computational aerothermodynamics design issues for hypersonic vehicles.// AIAA-Paper, 97-2473 P.1-35.
