ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБТЕКАНИЯ ТЕЛА ПОТОКОМ ВОЗДУХА С БОЛЬШОЙ СВЕРХЗВУКОВОЙ СКОРОСТЬЮ

​АННОТАЦИЯ

Численное моделирование обтекание твердого тело высокоскоростным потоком воздуха.

Ключевые слова: численное моделирование; обтекание; поток с высокой скоростью.

Исследование аэродинамических характеристик тел при больших сверхзвуковых скоростях имеет ключевое значение для разработки современных летательных аппаратов, таких как гиперзвуковые самолеты, ракеты и космические аппараты. При движении тела через атмосферу со скоростью, значительно превышающей скорость звука, возникают сложные физические процессы, включая образование ударных волн, нагрев поверхности и диссоциацию молекул воздуха. Эти явления оказывают значительное влияние на характеристики полета, такие как подъемная сила, сопротивление и тепловая нагрузка. Одним из наиболее важных аспектов изучения аэродинамики на больших сверхзвуковых скоростях является исследование процессов диссоциации воздуха. Диссоциация происходит, когда молекулы воздуха разрушаются под воздействием очень высоких температур (обычно выше 2000 градусов) и давления, образуя атомарные компоненты. Это приводит к изменению состава газа вокруг тела, что влияет на распределение температуры и плотности, а также на теплообмен между телом и окружающей средой [1, с. 121].

Целью данного исследования является изучение влияния процессов диссоциации воздуха на аэродинамические характеристики конусообразного тела при обтекании на больших сверхзвуковых скоростях. В частности, будет рассмотрено, как изменение химического состава газа вблизи поверхности конуса влияет на параметры потока, такие как давление, температура и плотность.

В данной работе будет рассматриваться численное моделирование конусообразного тела, обтекаемого потоком воздуха с большой сверхзвуковой скоростью, в программном комплексе Ansys Fluent. Данный комплекс хорошо подходит для решения схожих проблем, т.к. обладает мощными численными методами (FEM и FVM), поддерживает моделирование сжимаемых потоков (что критично для условий, где скорость газа превышает скорость звука), имеет обширную библиотеку материалов [2].

Поток воздуха будет рассматриваться в двух видах: как вязкий газ с приближением идеального газа и как диссоциированный воздух. Высота полета тела составляет 20 км, параметры среды при этой высоте и начальные данные представлены в таблице 1. Начальная скорость полета превышает скорость звука в 10 раз.

Геометрическая модель объекта исследования представлена на рисунке 1 в двумерном и трехмерном отображении.

Рисунок 1. Двумерная и трехмерная схемы объекта

Таблица 1.

Начальные данные

Для земной атмосферы основные стехиометрические уравнения реакций диссоциации и обменных реакций, используемые в данной работе, выглядят следующим образом:

Символ «М» обозначает «третий реагент» или «катализатор», который не принимает участие в прямо стехиометрических изменениях, но может выполнять роль носителя, среды или катализатора.

Результаты численного моделирование обтекания потоком воздуха в виде полей распределения температуры и давления в программе ANSYS Fluent продемонстрированы на рисунках 2-5.

Рисунок 2. Поле распределения температуры для пятикомпонентного воздуха

Рисунок 3. Поле распределения давления для пятикомпонентного воздуха

Рисунок 4. Поле распределения температуры для случая без учета химических реакций

Рисунок 5. Поле распределения давления для случая без учета химических реакций

Максимальная температура на поверхности тела для случая с пятикомпонентным реагирующем воздухом достигает 3634,09 К, когда в случае без учета реакций достигается 4280,26 К.

Согласно представленным результатам, химические реакции диссоциации приводят к понижению температуры в исследуемой области. Важно подчеркнуть, что это снижение становится более выраженным при повышении начальной температуры. Причина заключается в том, что при более высоких температурах процесс диссоциации компонентов воздуха происходит быстрее, и большее количество вещества подвергается диссоциации, что приводит к поглощению большего объема энергии [3, с. 15].

Также в ходе проведения численного моделирования были получены поля распределения массовой концентрации компонентов воздуха, а именно молекулярного кислорода и молекулярного азота. Результаты представлены на рисунке 6 и рисунке 7.

Рисунок 6. Массовая концентрация молекулярного азота

Рисунок 7. Массовая концентрация молекулярного кислорода

Исходя из рисунков 6-7 с молекулами азота процесс диссоциации происходит при более высоких температурах, чем с молекулами кислорода, что согласуется с теоретическими данными приведенными в [4]. Диссоциация кислорода начинается при температуре порядка 2400 К, а азота заметно диссоциируется лишь при значениях температуры больше 4000 К.

Список литературы:

1. Черный Г.Г. Газовая динамика. М., Наука, 1988. 121 c.
2. Cae-expert.ru // ANSYS FLUENT. [электронный ресурс] URL:  (дата обращения 30.04.2026)
3. Усков В.Н., Чернышов М.В. Экстремальные ударно-волновые системы в задачах внешней аэродинамики. Теплофизика и аэромеханика, 2014 15-31 с.
4. Полежаев Ю.В., Шишков А.А. Газодинамические испытания тепловой защиты: справочник. М.: Промедэк, 1992.