Influence of chemical reactions on heat transfer in boundary layer
We study the flow of a chemically reacting gas mixture in a three-dimensional boundary layer around a blunt body. The system of equations is solved using the method of successive approximations. The coefficients of surface friction and the heat fluxes are found in the first approximation. Analyzing respective formulas and our numerical data we identify the parameters affecting the heat transfer towards the surface of a vehicle. Also, we derive formulas for a fast evaluation of the heat fluxes at the critical point, which take into account the trajectory of the body in the Earth’s or Mars’ atmospheres.
Исследуется течение реагирующей газовой смеси в трехмерных ламинарных пограничных слоях, возникающих при обтекании тел гиперзвуковым потоком газа. Методом последовательных приближений находится решение системы уравнений пограничного слоя. В первом приближении выписываются соотношения для определения коэффициентов поверхностного трения и теплового потока. С помощью анализа этих соотношений, а также результатов численных расчетов неравновесных газовых смесей установлены параметры, влияющие на теплопередачу к поверхности летательных аппаратов в атмосфере планет. Получены формулы для быстрой оценки тепловых потоков в критической точке, зависящие от параметров траектории тела, движущихся в атмосфере Земли или Марса.
1. Тирский Г.А. Континуальные модели в задачах гиперзвукового обтекания затупленных тел разреженным газом // ПММ. 1997. Т. 61. Вып. 6. С. 903-930.
2. Нейланд В.Я. и др. Асимптотическая теория сверхзвуковых течений вязкого газа. М.: Наука-Физматлит. 2004. 456с.
3. Шевелев Ю.Д . Трехмерные задачи теории ламинарного пограничного слоя. М.: Наука, 1977. 224 с.
4. Ю.Д. Шевелев . Пространственные задачи вычислительной аэрогидродинамики. М.: Наука, 1986. 368 с.
5. Мурзинов И.Н. Ламинарный пограничный слой на сфере в гиперзвуковом потоке равновесно диссоциирующего воздуха // Изв. АН СССР, МЖГ. – 1966. No2. С.184-188.
6. У. Дорренс. Гиперзвуковые течения вязкого газа. М.: МИР, 1966. 439с.
7. Суслов О.Н. Асимптотические исследования уравнений химически неравновесного пограничного слоя // Гиперзвуковые пространственные течения при наличии физико-химических превращений. М.: Изд-во МГУ, 1981. С.138-213.
8. Лиз Л. Конвективный теплообмен при наличии подвода вещества и химических реакций.– В кн. Газодинамика и теплообмен при наличии химических реакций. М.: Иностранная литература. 1962. С. 13-69.
9. Лунев В.В . Гиперзвуковая аэродинамика. М.: Машиностроение. 1975. 328с.
10. Тирский Г.А., Шевелев Ю.Д. О методе последовательных приближений для задач трехмерного пограничного слоя (локально автомодельное приближение) – ПММ, 1973, т.37, No6, 974-983.
11. Wilke C.R. A viscosity equation for gas mixture// J. Chem. Phys. 1950. V.18, No.4 P.517-522.
12. Mason E.A., Saxena S.C. Approximate formula for the conductivity of gas mixture // Phus. Fluids., 1958. V. 1, No.5, p361-369.
13. 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.
14. Armaly B., Sutton K. Thermal conductivity of partially ionized gas mixtures // AIAA Paper, 1982, N469, 6p.
15. Пилюгин Н.Н., Тирский Г.А. Динамика ионизованного излучающего газа. М.: Изд- во МГУ, 1989. 312с.
16. Wilke C.R. Diffusional properties of multicomponent gases// J. Chem. Eng.Progr. 1950. V.46, No.2. P.95-104.
17. Михайлов В.В. Приближенное аналитическое представление термодинамических функций воздуха. Инженерный сб., т.2, 1961. Т.31. С. 101-107.
18. Крайко А. Н. Аналитическое представление термодинамических функций воздуха // Инж.ж. 1964. Т. 4 No3. С. 548-550.
19. Синченко С. П. Аппроксимация термодинамических свойств воздуха // Ж. Вычисл. мат. и выч. Физ. 1968. Т.8, No4. С.917-922.
20. Михайлов В.В. Аппроксимация энтальпии и уравнения состояния углекислого газа. Инженерный журнал, т.2, вып.2, 1962. С. 239-245.
21. Fay J.A., Riddell F.R. Theory of stagnation point heat transfer in dissociated air// J. Aeronaut. Sci. 1958, V.25. N2. P.73-85.
22. Стулов В.П., Мирский В.Н., Вислый А.Н. Аэродинамика болидов. М.: Наука. Физматлит, 1995. 236с.
23. Лебедев М.Т., Миноносцев В.Б., Теленин Г.Ф., Тиняков Т.П. Приближенный метод учета влияния реальности газа при гиперзвуковом обтекании сегментальных тел// Изв. АН СССР. МЖГ. 1969. No2. С.107-111.
24. 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. http://www.chemphys.edu.ru/pdf/2007-12-17-001.pdf
25. В.А. Андрущенко, Н.Г. Сызранова, Ю.Д. Шевелев. Оценка тепловых потоков к поверхности затупленных тел при движении с гиперзвуковой скоростью в атмосфере // Прикладная математика и механика. Т.71. Вып.5. 2007. С. 827-836.
26. Yu.D. Shevelev, N.G. Syzranova. Estimation of Heat Transfer near a Blunt Body By Approximate Analytical Method. // Proc. ‘The 6 -h European Symposium on Aerothermodynamics for Space Vehicles’, Versailles, France, 3-6 November 2008, (ESA-659, January 2009)
27. Fay J.A., Riddell F.R. Theory of stagnation point heat transfer in dissociated air// J. Aeronaut. Sci. 1958, V.25. N2. P.73-85.
28. Sutton J., Graves R.A. A general stagnation point convective heating equation for arbitrary gas mixtures// NASA TR R-376. 1972.
29. Martin J.J. Atmospheric Entry. An Introduction to its Science and Engineering. Old Tappan, NJ: Prentice-Hall. 1966.
30. Авдуевский В.С. , Галицейский Б.М., Глебов Г.А . и др. Основы теплопередачи в авиационной и ракетно-космической технике. М.: Машиностроение, 1975. 623с.
31. Лунев В. В . Гиперзвуковая аэродинамика. М.: Машиностроение, 1975. 328с.
