Numerical Modeling of Non-equilibrium Subsonic Flow of Dissociated Air Past a Cylindrical Body

Results of verification simulations of chemically non-equilibrium dissociated air flow past a body with cooled catalytic surface are presented. The computational model includes a two-dimensional gas dynamics module implemented on the basis of a numerical scheme suitable for subsonic as well as supersonic flows, together with a module for chemical kinetics calculations taking into account the vibrational non-equilibrium. Simulations are performed for flows past a cylindrical body with a flat edge at the dissociated air jet parameters corresponding to the conditions in the IGP-4 plasmatron available in IPMech RAS. The results are compared with those obtained for subsonic flows by the model of chemically equilibrium dissociated air. The effects of non-equilibrium chemistry are demonstrated.

Ключевые слова: plasmatron, catalytic surface, numerical modeling, dissociated air, chemical non-equilibrium

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.22.5.958

Авторы: Андрей Иванович Брызгалов, Сергей Евгеньевич Якуш, Сергей Александрович Васильевский, Анатолий Федорович Колесников

Показать организации

Выпуск: Том 22, выпуск 5, 2021 год

Рекомендуемое библиографическое описание статьи:
Брызгалов А. И., Якуш С. Е., Васильевский С. А., Колесников А. Ф. Численное моделирование неравновесных дозвуковых течений диссоциированного воздуха около цилиндрического тела//Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2021. Т.22, вып. 5. http://chemphys.edu.ru/issues/2021-22-5/articles/958/

Представлены результаты верификационных расчетов течений химически неравновесного диссоциированного воздуха около тела с охлаждаемой каталитической поверхностью. Вычислительная модель включает двумерный газодинамический модуль, реализованный на базе численной схемы, позволяющей рассчитывать как дозвуковые, так и сверхзвуковые течения, а также модуль расчета химической кинетики с учетом эффектов колебательной неравновесности. Проведено моделирование обтекания цилиндрического тела с плоским торцом при параметрах струи диссоциированного воздуха, соответствующих условиям в плазмотроне ВГУ-4 ИПМех РАН. Результаты сопоставлены с расчетом дозвукового обтекания на основе модели равновесного диссоциированного воздуха. Определены области течения, в которых проявляются эффекты неравновесности.

Ключевые слова: ВЧ-плазмотрон, каталитическая поверхность, численное моделирование, диссоциированный воздух, химическая неравновесность

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.22.5.958

Показать организации

Выпуск: Том 22, выпуск 5, 2021 год

1. Гордеев А.Н., Колесников А.Ф. Высокочастотные индукционные плазмотроны серии ВГУ. Актуальные проблемы механики. Физико-химическая механика жидкостей и газов. 2010. C. 151–177.
2. Сахаров В.И. Численное моделирование течений в индукционном плазмотроне и теплообмена в недорасширенных струях воздуха для условий экспериментов на установке ВГУ-4 (ИПМех РАН) // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2007. Т.5. C. 1–15.
3. Гордеев А.Н., Колесников А.Ф., Сахаров В.И. Экспериментальное и численное исследование теплообмена высокоэнтальпийных недорасширенных струй воздуха с цилиндрическими моделями // Изв. РАН. МЖГ. 2018. №5. C. 125–133.
4. Колесников А.Ф., Гордеев А.Н., Васильевский С.А. Эффекты каталитической рекомбинации на поверхности металлов и кварца для условий входа в марсианскую атмосферу // Теплофизика высоких температур. 2016. Т. 54. №1. С. 32–40.
5. Degrez G., Vanden Abeele D., Barbante P., Bottin B. Numerical simulation of inductively coupled plasma flows under chemical non equilibrium // International Journal of Numerical Methods in Heat and Fluid Flow. 2004. V. 14(4). P. 538–558.
6. Rini, P., Garcia, A., Magin, T., Degrez, G. Numerical simulation of CO2 non-equilibrium flows with catalyzed surface reactions // Journal of Thermophysics and Heat Transfer. 2004. V. 18. P. 114–121.
7. Брызгалов А.И. Численное моделирование течения термически и химически неравновесного воздуха за фронтом ударной волны // Вестник МГТУ им. Баумана. 2021. №3(96). C. 94–111.
8. Под ред. Глушко В.П. Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Справочное издание в 4-х томах. М.: Наука, 1979.
9. Андриатис А.В., Жлуктов С.А., Соколова И.А. Транспортные коэффициенты смеси воздуха химически неравновесного состава // Математическое моделирование. 1992. №1(4). С. 44–64.
10. Wilke C.R. A viscosity equation for gas mixtures // Journal of Chemical Physics. 1950. V. 18(4). P. 517–519.
11. Laricchiuta A., Bruno D., Capitelli M. High temperature Mars atmosphere. Part I: transport cross sections // The European Physical Journal D. 2009. V. 54. P. 607–612.
12. Колесников А.Ф., Тирский Г.А. Уравнения гидродинамики для частично ионизованных многокомпонентных смесей газов с коэффициентами переноса в высших приближениях. В кн.: Молекулярная газодинамика. М.: Наука, 1982. C. 20-44.
13. Dunn M.G., Kang S.W. Theoretical and Experimental Studies of Reentry Plasmas // NASA CR-2232, 1983
14. Brown, P.N., Byrne, G.D., Hindmarsh, A.C. VODE: A Variable-Coefficient ODE Solver // SIAM J. Sci. Stat. Comput. 1989. V. 10. P. 1038–1051.
15. Kitamura, K., Hashimoto, A. Reduced dissipation AUSM-family fluxes: HR-SLAU2 and HR-AUSM+-up for high resolution unsteady flow simulations // Comput. Fluids. 2016. V. 126. P. 41–57.
16. Liou, M.S. The evolution of AUSM schemes // Def. Sci. J. 2010. V. 60. P. 606–613.
17. Соколова И.А., Васильевский С.А., Андриатис А.В. Описание пакета программ SoVa, предназначенного для расчета равновесного состава и коэффициентов переноса низкотемпературной плазмы в высших приближениях метода Чепмена-Энскога // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2005. №3. С. 1–39.