Ученые разработали математическую модель, позволяющую оптимизировать проектирование теплозащиты космических аппаратов
В неравновесном течении газовой смеси микроскопические процессы,
связанные с взаимодействиями молекул (перераспределение внутренней
энергии, химические реакции, ионизация), происходят в том же масштабе
времени, что и изменения гидродинамических параметров (скорости,
давления, температуры). Это происходит при высоких скоростях
и температурах газа. Ученые во всем мире изучают эти процессы.
Еще более интересные явления происходят при взаимодействии
неравновесного разреженного газа с поверхностью твердого тела. Когда газ
находится вблизи поверхности, скорость и температура могут сильно
отличаться от значений в объеме газа из‑за низкой плотности.
Это называется «эффектом скольжения» и отражает физическое
взаимодействие газа с твердой поверхностью. Поверхность тела также может
действовать как катализатор, влияя на энергетические состояния частиц
и протекающие химические реакции. Эти воздействия существенно влияют
на состав смеси и передачу тепла и массы.
В рамках нашего исследования была разработана математическая модель,
учитывающая неравновесные процессы в газе и на поверхности:
адсорбцию/десорбцию, возбуждение и дезактивацию колебательных степеней
свободы, гетерогенные химические реакции.Заведующая кафедрой гидроаэромеханики СПбГУ Елена Кустова
«Это позволило детально описать динамику и кинетику разреженного
неравновесного газа вблизи поверхности твердых тел. Главной особенностью
полученных граничных условий является способность корректно
интерпретировать эффекты физического взаимодействия газа с поверхностью
тела и учитывать влияние межфазных гетерогенных химических реакций», —
рассказала заведующая кафедрой гидроаэромеханики СПбГУ Елена Кустова.
Учет данных эффектов чрезвычайно важен в ряде практических задач.
Например, связанных с входом спускаемых космических аппаратов
в атмосферы планет, исследованием сверхзвуковых потоков в соплах
наземных аэродинамических установок и ракетных двигателей, анализом
газовых потоков в микроканалах, используемых в микроэлектронике
и вакуумных установках. Модель может быть использована
для проектирования тепловой защиты космических аппаратов. В частности,
уменьшение слоя тепловой защиты спускаемого аппарата открывает
перспективы для увеличения его полезной нагрузки.
Коротко
Новости «ММ»
Омский политех разработал новый материал для суперконденсаторов
Кремниевый сенсор для экспресс-анализа в медицине и экомониторинге
