ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА ПАРАМЕТРЫ ТЕПЛООБМЕНА ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

Зачастую экспериментальная отработка проектируемого спускаемого летательного аппарата требует значительных затрат ресурсов, как энергетических, так и финансовых. Поэтому важным этапом проектирования является численное моделирование, которое позволяет получить значения необходимых параметров с определённой степенью точности, не прибегая при этом к эксперименту. Так, например, проводятся расчёты обтекания и теплообмена летательного аппарата с учётом излучения, физико-химических параметров и т.д. По результатам вычислений  определяются характеристики теплозащитного слоя. Благодаря постоянному совершенствованию используемых в расчётах математических и физических моделей степень точности численного моделирования повышается, что приближает результаты моделирования к экспериментальным данным.

В работе определено влияние физико-химических процессов на параметры теплообмена экспериментального аппарата «Electre» с геометрическими характеристиками, показанными на рисунке 1: радиус притупления 0,035 м, угол полураствора 4,6 град, полная длина 0,4 м [3].

Рисунок 1. Параметры расчётной области

Численное модерилование внешнего обтекания проводилось в программе ANSYS Fluent. В качестве расчётного случая выбрана точка траектории со следующими параметрами: скорость движения аппарата  м/с ( ) высота  км.

Широко известно, что распределение газодинамических параметров в ударном слое, особенно в условиях диссоциации и моляризации газа, определяется процессами химической кинетики.

Скорость протекания химических процессов рассчитывается с помощью уравнения Аррениуса:

                                                         (1)

где: – константа скорости реакции;

 – предэкспоненциальный коэффициент;

 – показатель температуры (безразмерный);

 – энергия активации реакции ( );

 – универсальная газовая постоянная ( ).

Для учёта влияния химических процессов при расчёте обтекания используем несколько моделей химической кинетики, а именно:

• кинетическую модель Кривоносовой О.Э., Лосева С.А., Наливайко В.П., Шаталова О.П. [4];
• кинетическую модель Данна-Канга [1]
• кинетическую модель Парка [2].

Следует заметить, что при проведении расчётов были приняты следующие допущения:

• стенка аппарата адиабатическая;
• принята идеальная модель сжимаемого газа;
• течение принято ламинарным;
• расчёт проведен с использованием двух взаимообратных реакций – диссоциации молекул кислорода и азота.

 Рисунок 2. График распределения абсолютного давления с учетом физико-химических процессов

Рисунок 3. График распределения удельного теплового потока с учетом физико-химических процессов

Таблица 1.

Значения параметров в точке полного торможения

На рисунках 2 и 3 приведены графики распределения абсолютного давления и удельного теплового потока соответственно.

Как видно из таблицы 1, погрешность расчёта параметров теплообмена с учётом физико-химических процессов в точке полного торможения, по сравнению с моделью без учёта диссоциации и моляризации, варьируется в диапазоне от 4,4 до 9,6 % для давления и от 29,2 до 39,1 % для удельного теплового потока. Из этого можно сделать вывод, что, так как разница значений удельного теплового потока большая, то в задачах  движения спускаемого летательного аппарата с большими скоростями необходимо учитывать физико-химические процессы. Распространенные модели химической кинетики воздушной смеси с равной степенью одинаково описывают распределение параметров теплообмена вблизи поверхности спускаемого летательного аппарата.

Список литературы:

1. Dunn M.G., Kang S.W. // NASA CR 2232. 1973. P. 115.
2. Park C. // Journal of Thermophysics and Heat Transfer. 1993. V. 7. ‹ 3 P.385.
3. Viviani A., Pezzella G. // Engineering Application of Computational Fluid Mechanics Vol. 3, No.4 P. 543-561, 2009.
4. Кривоносова О.Э., Лосев С.А., Наливайко В.П., Шаталов О.П. Рекомендуемые данные по кинетике химический реакций в системе атомов O-N. Физико-химическая кинетика в газовой динамике, МГУ, 1986.