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.

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

Численное моделирование неравновесных дозвуковых течений диссоциированного воздуха около цилиндрического тела

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.

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


1. Gordeev A.N., Kolesnikov A.F. High-frequency induction plasmatrons of the IPG series. Topical problems of mechanics // Phys.-chemical mechanics of fluids and gas. 2010. P. 151–177.
2. Sakharov V.I. Numerical simulation of flows in an induction plasmatron and heat transfer in underexpanded air jets for experimental conditions at the IPG-4 facility (IPMech RAS) // Phys.chemical kinetics in gas dynamics. 2007. V.5. P. 1–15.
3. Gordeev A.N., Kolesnikov A.F., Sakharov V.I. Experimental and numerical study of heat transfer of high-enthalpy underexpanded air jets with cylindrical models // Fluid Dynamics. 2018. V.5. P. 125–133.
4. Kolesnikov A.F., Gordeev A.N., Vasilevskij S.A. Effects of catalytic recombination on the surface of metals and quartz for the conditions of entry into the Martian atmosphere// Теплофизика высоких температур. 2016. Т. 54. №1. P. 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. Bryzgalov A.I. Numerical simulation of the flow of thermally and chemically nonequilibrium air behind the shock front // Vestnik Bauman MSTU . 2021. V.3(96). P. 94–111.
8. ed. Glushko V.P. Thermodynamic properties of individual substances. Reference edition in 4 bands. M.: Nauka, 1979.
9. Andriatis A.V., Zhluktov S.A., Sokolova I.A. Transport coefficients for chemical nonequilibrium components of air mixture // Mathematical simulation. 1992. V. 1(4). P. 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. Kolesnikov A.F., Tirskij G.A. Hydrodynamic equations for partially ionized multicomponent gas mixtures with transfer coefficients in higher approximations. In book: Molecular gasdynamic M.: Nauka, 1982. P. 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. Sokolova I.A., Vasilevskij S.A., Andriatis A.V. Description of the SoVa package designed to calculate the equilibrium composition and transport coefficients of low-temperature plasma in higher approximations of the Chapman-Enskog approximation// Phys.chemical kinetics in gas dynamics . 2005. V.3. P. 1–39.