Ученые из СПбГУ сделали важный шаг к созданию эффективной тепловой защиты

Санкт-Петербург, 3 сен - ИА Neftegaz.RU. Механики из Санкт-Петербургского университета создали математическую модель, которая учитывает неравновесные процессы, происходящие при высоких скоростях в потоке газа и на поверхности. Эта модель поможет более подробно изучить взаимодействие газа с поверхностью космического аппарата и разработать его тепловую защиту.
Об этом сообщила пресс-служба СПбГУ.

Результаты исследования были опубликованы в научном журнале Physics of Fluids.

В неравновесных потоках газовых смесей микроскопические процессы, такие как перераспределение внутренней энергии, химические реакции и ионизация, происходят наравне с изменениями гидродинамических параметров (скорости, давления, температуры).
Это особенно заметно при высоких скоростях и температурах газа.
Ученые по всему миру изучают эти процессы.

Еще более интересные явления происходят, когда неравновесный разреженный газ взаимодействует с поверхностью твердого тела.
Когда газ находится близко к поверхности, его скорость и температура могут существенно отличаться от значений в объеме газа из-за низкой плотности.
Этот эффект известен как эффект 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 газовой смеси, а также на передачу тепла и массы.

В рамках исследования была разработана математическая модель, которая учитывает неравновесные процессы в газе и на поверхности, такие как адсорбция/десорбция, возбуждение и дезактивация колебательных степеней свободы и гетерогенные химические реакции.
Это позволило подробно описать динамику и кинетику разреженного неравновесного газа вблизи поверхности твердых тел.
Особенностью полученных граничных условий является то, что они корректно интерпретируют эффекты физического взаимодействия газа с поверхностью тела и учитывают влияние межфазных гетерогенных химических реакций, сообщила завкафедрой гидроаэромеханики СПбГУ Е. Кустова.

Учет данных эффектов имеет важное значение для решения ряда практических задач.
Например, связанных с входом космических аппаратов в атмосферы других планет, изучением сверхзвуковых потоков в соплах аэродинамических установок и ракетных двигателей, анализом газовых потоков в микроканалах, используемых в микроэлектронике и вакуумных установках.
Эта модель может быть использована при проектировании систем тепловой защиты космических аппаратов.
В частности, уменьшение слоя тепловой защиты спускаемого аппарата может привести к увеличению его полезной нагрузки.

Математическая модель была протестирована на примере исследования газового потока вблизи спускаемого аппарата с поверхностью, состоящей из диоксида кремния, в атмосфере Земли.
Результаты показали, что влияние разреженности является более существенным для предсказания свойств потока по сравнению с влиянием химических реакций на низкоактивной поверхности.
Тепловой поток к стенке аппарата, рассчитанный с помощью новой модели, на высоте 85 км оказался примерно на 25% ниже, чем при использовании стандартных граничных условий.

Эта работа была выполнена в рамках гранта Российского научного фонда Экспериментальное и теоретическое исследование сверхзвуковых течений газов с плазменными образованиями.