Численное и экспериментальное исследование истечения струй в разреженную среду в приложении к задачам разработки аэрокосмической техники

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-19-00750

НазваниеЧисленное и экспериментальное исследование истечения струй в разреженную среду в приложении к задачам разработки аэрокосмической техники

Руководитель Бондарь Евгений Александрович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук , Новосибирская обл

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-105 - Газо- и гидродинамика технических и природных систем

Ключевые слова вакуум; валидация; сверхзвуковая струя; методы диагностики, прямое статистическое моделирование; динамика разреженного газа

Код ГРНТИ29.17.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
При разработке космических аппаратов (КА) нового поколения, планировании лунных и марсианских миссий, создании новых орбитальных станций, а также микро- и наноспутников встает острая необходимость численного и экспериментального моделирования струй ракетных двигателей, используемых для коррекции орбиты, изменения ориентации и маневрирования аппарата, в разреженное пространство. Струи двигателей могут взаимодействовать с чувствительными поверхностями аппарата, приводить к их загрязнению, а также существенно влиять на собственную атмосферу аппарата. Перечисленные эффекты критичны для эксплуатации космических аппаратов на орбите. Схожими особенностями обладают задачи, связанные с использованием ракетных двигателей для причаливания и посадки на планеты с разреженной атмосферой. Истечение в сильно разреженное пространство характеризуется высокими числами Рейнольдса на срезе сопел, чрезвычайно высокой нерасчётностью и малыми числами Рейнольдса по характерному размеру струй. Реализация подобных условий истечения требует при наземном экспериментальном моделировании высоких скоростей высоковакуумной откачки истекающих газов и газовых смесей, а также средств диагностики, обеспечивающих измерение газодинамических, энергетических и физико-химических параметров течения при низких давлениях. Воспроизведение на наземных газодинамических установках условий работы реальных двигателей КА требует огромных материальных и финансовых затрат. Еще более сложны и затратны натурные эксперименты в орбитальных условиях. В связи с этим принципиальной задачей является создание средств численного моделирования, обеспечивающих надежное предсказание течения в ближнем и дальнем поле струй, а также их взаимодействие с поверхностью аппарата. Такие расчетные программы с одной стороны должны удовлетворять ряду требований по функциональности, включая наличие дружелюбного интерфейса пользования и интегрированность с САПР, а с другой стороны обеспечивать достоверный результат, что требует валидации сравнением с экспериментальными данными. Альтернативным экспериментальным подходом является использование малогабаритных лабораторных установок. В таких экспериментах нельзя получить условия полностью соответствующие натурным, но за счет своей доступности они дают возможность получения подробных валидационных данных, которые необходимы для создания достоверной численной методики, а также изучения отдельных физических процессов, играющих ключевую роль в струйных течениях. Основной целью настоящего проекта является разработка, валидация сравнением с экспериментальными данными и применение к аэрокосмическим задачам пакета прикладных программ для численного моделирования истечения в разреженное пространство сверхзвуковых газовых струй. Принципиальной особенностью настоящего проекта является синтез математического моделирования и лабораторного эксперимента в современных малогабаритных газодинамических установках Новосибирского государственного университета, что на наш взгляд является единственным способом добиться доступного и достоверного моделирования натурных условий. Отметим, что предлагаемый инструмент численного моделирования имеет несколько особенностей, которые делают его уникальным: возможность использования континуального и кинетического солверов, валидированные физико-химические модели, удобный графический интерфейс пользователя, интегрированность с САПР и возможность использования на суперкомпьютерах с гибридной архитектурой. По этой причине задача разработки такого пакета прикладных программ обладает несомненной новизной и важностью. Для достижения цели проекта планируется решение следующих задач: - Разработка методики моделирование газовых струй для орбитальных условий на основе совместного использования численного решения уравнений Навье-Стокса и метода прямого статистического моделирования с использованием многозонного подхода. Особое внимание будет уделено моделированию высокотемпературных физико-химических эффектов в рамках обоих методов. - Развитие экспериментальных методов диагностики процессов в сверхзвуковых газовых потоках при истечении в вакуум или разреженное пространство на малогабаритных вакуумных установках, обоснование возможности использования в условиях моделирования параметров подобия с целью переноса результатов модельных исследований на натурные объекты. - Проведение валидационных экспериментов на малогабаритных вакуумных установках по исследованию струй различных газов (включая многосопловые компоновки). - Реализация в программном пакете и валидация сравнением с экспериментальными данными молекулярных и макроскопических моделей кластерообразования и конденсации в холодных газовых струях, характерных для наземного эксперимента. Исследование струй холодных газодинамических двигателей. - Проведение экспериментальных исследований по истечению в вакуум жидкостей, парожидкостных смесей применительно к задаче создания двигателей для спутников формата CubeSat. - Разработка дружелюбного интерфейса пользователя и интеграцией с САПР пакета прикладных программ для численного моделирования истечения струй в разреженное пространство для натурных и экспериментальных условий. - Выполнение численных и экспериментальных исследований взаимодействия струй с преградой в приложениях к задачам причаливания и посадки. - Детальное исследование влияния струй двигателей на собственную атмосферу орбитальной станции. Сравнение летным экспериментом. Результаты проекта будут востребованы в реальных аэрокосмических приложениях при моделировании условий истечения в вакуум и разреженные атмосферы других планет. Помимо научных результатов проект нацелен на развитие и поддержание среды для подготовки кадров высшей квалификации на базе физического факультета Новосибирского государственного университета и Института теоретической и прикладной механики имени С.А. Христиановича. Созданный при выполнении проекта научный коллектив продолжит активную работу над газодинамическими задачами в аэрокосмических приложениях после завершения проекта.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Шоев Г.В. Реализация колебательно-колебательного энергообмена между модами двухатомных молекул для моделирования неравновесных течений газа Управление издательской деятельностью СО РАН (год публикации - 2023)

2. Шоев Г.В., Шершнев А.А. Валидация двухтемпературных моделей диссоциации кислорода на задаче отражения ударной волны от стенки Управление издательской деятельностью СО РАН (год публикации - 2023)

3. Дубровин К.А., Зарвин А.Е., Каляда В.В., Яскин А.С. К модели метрирования сверхзвуковых недорасширенных газовых струй в условиях конденсации (To the model of metrication of supersonic under-expanded gas jets under condensation conditions) Теплофизика и аэромеханика (Thermophysics and aeromechanics) (год публикации - 2023)

4. Художитков В.Э., Каляда В.В. Об оптимальных условиях формирования кластерных молекулярных пучков СПбГЭТУ «ЛЭТИ», Вакуумная техника и технологии – 2022. Труды 29-й Всероссийской научно-технической конференции с международным участием. 21–23 июня 2022 г./ под ред. Д. К. Кострина и С. А. Марцынюкова. (год публикации - 2022)

5. Литвинцев А.С., Молчанова А.Н., Ващенков П.В., Кашковский А.В., Бондарь Е.А. Влияние поверхностных химических реакций на высотную аэротермодинамику модельной капсулы Физико-химическая кинетика в газовой динамике (год публикации - 2023)

Публикации

1. К.А. Дубровин, А.Е. Зарвин, Е.А. Бондарь, А.С. Яскин, В.В. Каляда, Е.Д. Деринг On the Conditions of Clusters Penetration beyond the Limits of a Supersonic Jet Proceedings of the 32nd International Symposium on Rarefied Gas Dynamics, AIP Conference Proceedings (год публикации - 2023)

2. А.С. Яскин, А.Е. Зарвин, В.В. Каляда, К.А. Дубровин, В.Э. Художитков АППАРАТУРА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ИСТЕЧЕНИЯ СТРУЙ ЖИДКОСТЕЙ ИЗ СОПЕЛ СУБМИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАМЕТРА В РАЗРЕЖЕННУЮ СРЕДУ ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА (год публикации - 2024)

3. К.А. Дубровин, А.Е. Зарвин, А.С. Яскин, В.В. Каляда The influence of condensation on the supersonic flow sizes Technical Physics Letters, Technical Physics Letters, 2022, Vol. 48, No. 6, P. 67-70 (год публикации - 2023)
10.21883/TPL.2022.06.55312.19215

4. А.С. Яскин, А.Е. Зарвин, В.В. Каляда, К.А. Дубровин, В.Э. Художитков Formation of volatile liquid jets in a rarefied medium E3S Web of Conferences, 459, 04023 (2023) (год публикации - 2023)
10.1051/e3sconf/202345904023

5. Александр Зайцев, Лев Ярков и Евгений Бондарь Effect of formation of argon clusters on a supersonic outflow into a rarefied medium E3S Web of Conferences, Volume 459, 2023, Article Number 01008 (год публикации - 2023)
10.1051/e3sconf/202345901008

6. ЗАЙЦЕВ АЛЕКСАНДР ВАСИЛЬЕВИЧ, ЯРКОВ ЛЕВ ВЛАДИМИРОВИЧ ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГАЗОДИНАМИКИ СТРУЙ АЗОТА ПРИ ИСТЕЧЕНИИ В РАЗРЕЖЕННОЕ ПРОСТРАНСТВО ПРИКЛАДНАЯ МЕХАНИКА И ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, Том: 64, Номер: 6 (382), Страницы: 44-52 (год публикации - 2023)
10.15372/PMTF202215170

7. А.В. Зайцев, Л.В. Ярков, А.Е. Зарвин, К.А. Дубровин, Е.А. Бондарь Kinetic-Continuum Computations and Validation Against Experiments AIP Conference Proceedings (год публикации - 2023)

8. Г.В. Шоев, А.Н. Кудрявцев, Д.В. Хотяновский, Е.А. Бондарь Viscous eﬀects in Mach reﬂection of shock waves and passage to the inviscid limit Journal of Fluid Mechanics, 959 (год публикации - 2023)
10.1017/jfm.2023.89

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
На третьем этапе проекта завершен цикл работ, направленных на развитие методов экспериментального и численного моделирования сильно недорасширенных газовых струй, играющих важную роль в аэрокосмических приложениях. Доработан метод онлайн-сканирования продольных и поперечных срезов струй для получения, обработки и анализа большого объема данных при исследовании потоков сложных конфигураций. Работа осуществлена при использовании камеры с линейкой фотодетекторов МАСИ-USB «ВМК-Оптоэлектроника». В результате исследования истечения струй получены сканы продольных и поперечных сечений сверхзвуковых струй азота и аргона при различных газодинамических условиях истечения. Получено хорошее совпадение результатов сканирования с изображениями, зарегистрированными методом электронно-пучковой визуализации струй. Доведен до практического применения метод определения скоростного отношения (отношения локальной скорости потока к наиболее вероятной тепловой скорости) по измерениям поперечных профилей интенсивности/плотности молекулярного пучка, сформированного из сверхзвуковой струи. Результаты измерений поступательной температуры в сверхзвуковых струях в отсутствие конденсации, скиммерного взаимодействия и влияния диска Маха совпадают с известными теоретическими соотношениями, демонстрируя достоверность метода. Реализован метод экспериментального исследования недорасширенных струй с использованием импульсного истечения газа, что позволило существенно расширить диапазон исследуемых параметров за счет повышения расхода. Установлено, что использованные “быстрые” клапаны субмиллисекундного диапазона генерируют газовые импульсы с параметрами, необходимыми для моделирования режимов с высоким расходом при допустимых давлениях фонового газа, что открывает возможности выхода на большие расходы истечения с условиями, близкими к требуемым при моделировании струй различных аэрокосмических двигательных систем. Проведено экспериментальное исследование истечения газа (аргон, азот, диоксид углерода) из одиночных и блочных струй с использованием развитых в процессе выполнения проекта методик измерения. При использовании методики фотовизуализации сверхзвуковых струй, свечение которых возбуждалось электронным пучком, получены изображения струй аргона и азота, истекающих из одиночного сопла, а также сопловой сборки из двух и четырех сопел при различных газодинамических условиях истечения. В результате анализа полученных изображений были построены поперечные профили яркости свечения сверхзвуковых струй. Методом двумерного онлайн-сканирования получено распределение яркости свечения, измерено распределение плотности сверхзвуковых струй. Экспериментально установлено, что в условиях развитой конденсации наблюдается существенное уширение потока и отличие регистрируемых значений температуры и плотности от теоретических распределений, полученных для неконденсирующихся потоков, что обуславливает необходимость создания условий для минимизации процесса конденсации. В условиях малой конденсации полученные данные показывают хорошее согласие с известными теоретическими и эмпирическими зависимостями и экспериментальными данными других научных коллективов. Определено, что при среднем размере кластеров меньше 100 и числе Рейнольдса по характерному размеру струи более 50, а также равенстве интегральных параметров подобия, моделируемый поток хорошо соответствует натурному. Проведена доработка модели и ее программной реализации для описания процесса кластеризации в численном моделировании. Был существенно расширен диапазон моделируемых размеров кластеров и проведена дополнительная верификация расчетных модулей. Проведена валидация модифицированных расчетных модулей сравнением с экспериментальными данными для течения аргона с существенным влиянием конденсации. Было продемонстрировано хорошее согласие с экспериментальными данными по профилям плотности аргона вдоль оси струи при учете конденсации в численном моделировании. Численные результаты без учета конденсации существенно завышают значения плотности в ядре струи. Была выполнена доработка графического интерфейса пользователя разработанного пакета программ численного моделирования с акцентом на расчетный модуль, основанный на континуальном подходе, используемый для расчетов течений в плотной части струи. В интерфейс внедрены возможности для моделирования с помощью расчетных модулей с большим числом пользовательских настроек. Интеграция с платформой Salome позволяет использовать ее возможности для проведения полного цикла расчета: импорт твердотельных моделей, созданных во внешних САПР, создание или импорт сеточных моделей расчетной области, задание начальных данных, выполнение расчета, визуализация и анализ результатов. С помощью разработанного пакета прикладных программ проведены численные исследования струйных течений, в том числе трехмерные расчеты блочных струй, характерных для двигателей управления орбитальными аппаратами и исследована газодинамическая структура таких струй. Проведены численные исследования взаимодействия трехмерных недорасширенных блочных струй двигателей управления с поверхностью космической станции при причаливании к ней космического аппарата и определены силовые и тепловые нагрузки на поверхность станции за счет воздействия дальнего поля струй. Все задачи третьего этапа и проекта в целом выполнены в полном объеме. Реализованы и апробированы новые методы экспериментального моделирования и диагностики сильно недорасширенных струй на малогабаритных стендах. Разработан, валидирован сравнением с экспериментальными данными, полученными в рамках проекта, и использован для типичных задач орбитальной аэродинамики пакет прикладных программ для численного моделирования истечения в разреженное пространство сверхзвуковых газовых струй. Наличие у пакета полноценной графической оболочки и его совместимость с САПР делают возможным его внедрение в аэрокосмических организациях страны и использование для разработки новых образцов космической техники.

Публикации

1. Зарвин А.Е., Яскин А.С., Каляда В.В., Художитков В.Э., Дубровин К.А., Деринг Е.Д. Цикл экспериментальных исследований влияния процесса конденсации частиц на газодинамику моделируемого потока Институт теплофизики СО РАН, Новосибирск, Сборник тезисов докладов Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодых учёных "XL Сибирский теплофизический семинар", посвященной 110-летию со дня рождения С.С. Кутателадзе и 300-летию Российской академии наук. 20 – 23 августа 2024 г. Новосибирск, Россия. - 327 с. С. 171. (год публикации - 2024)

2. Зарвин А.Е., Дубровин К.А., Яскин А.С., Каляда В.В. Газодинамика истечения бинарных сверхзвуковых струй разреженных газов Электровакуумные технологии. Москва., В 14 Вакуумная наука и техника. Тезисы ХXXI международной научно-технической конференции «Вакуумная наука и техника» под редакцией доктора технических наук, профессора С.Б. Нестерова М.: Электровакуумные технологии. 2024 – 123 с. С. 27-28. (год публикации - 2024)

3. Яскин А.С., Зарвин А.Е., Каляда В.В., Дубровин К.А., Художитков В.Э. Equipment for Investigation of the Flow of Liquid from Nozzles of Submillimeter Diameter into a Low-Pressure Environment Instruments and Experimental Techniques, V. 67, № 2, P. 418-422 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.1134/S002044122470060X

4. Зарвин А.Е. , Каляда В.В., Яскин А.С., Дубровин К.А., Деринг Е.Д., Художитков В.Э. Моделирование истечения сверхзвуковых струй в разреженную среду в импульсных режимах Приборы и Техника Эксперимента, ПТЭ. 2024. №5. (год публикации - 2024)

5. Зарвин А.Е., Дубровин К.А., Бондарь Е.А., Ярков Л.В., Зайцев А.В., Каляда В.В., Яскин А.С. Экспериментальное и численное моделирование истечения сверхзвуковых струй в разреженную среду. Часть 1: течения без влияния конденсации Физико-химическая кинетика в газовой динамике, Т. 25, Вып. 2, С. 30-49. (год публикации - 2024)
10.33257/PhChGD.25.2.1097

6. Дубровин К.А., Ярков Л.В., Зарвин А.Е., Зайцев А.В., Каляда В.В., Яскин А.С., Бондарь Е.А. Numerical and Experimental Simulation of Supersonic Gas Outflow into a Low-Density Medium Aerospace, V. 11, № 11, P. 905 (год публикации - 2024)
10.3390/aerospace11110905

7. Зарвин А.Е., Деринг Е.Д., Каляда В.В., Дубровин К.А. Аппаратура и результаты измерений поступательной температуры в струях разреженных газов Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ», Санкт-Петербург, Труды 31-й Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Вакуумная техника и технологии – 2024» 25–27 июня 2024 г. Санкт-Петербург / под ред. Д. К. Кострина, С. А. Марцынюкова и В. А. Симона. – СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2024. – 417 с. С. 19-23. (год публикации - 2024)

8. Зарвин А.Е., Деринг Е.Д.,Шарафутдинов Р.Г. Метод измерений скоростного отношения в струях разреженных газов Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ», Санкт-Петербург, Труды 31-й Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Ввакуумная техника и технологии – 2024» 25–27 июня 2024 г. Санкт-Петербург / под ред. Д. К. Кострина, С. А. Марцынюкова и В. А. Симона. – СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2024. – 417 с. С. 24-28. (год публикации - 2024)

9. Яскин А.С., Каляда В.В., Зарвин А.Е., Ващенко П.В. Experimental investigation of the expansion of single and block jets using advanced measurement techniques Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Novosibirsk, International Conference on the Methods of Aerophysical Research, Novosibirsk, Russia, July, 1 – 5, 2024: Abstracts. Pt. III / Ed. E.I. Kraus; Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation: on [et al.]. – Novosibirsk: SB RAS, 2024. – 35 p. (год публикации - 2024)
10.53954/9785605099659_31

10. Полянский Т.А.,ЗайцевА.В. Numerical simulation of the dynamics of disperse phase particles in a supersonic flow behind the shock wave EURASIAN JOURNAL OF MATHEMATICAL AND COMPUTER APPLICATIONS (год публикации - 2025)

Возможность практического использования результатов
Разработанные в рамках настоящего проекта пакет прикладных программ и экспериментальные методики могут быть использованы при создании космической техники нового поколения, в частности, могут использованы для разработки и эксплуатации коммерческих транспортных систем и создания новых космических технологий.