Mechaniker der Universität St. Petersburg haben ein mathematisches Modell entwickelt, das Nichtgleichgewichtsprozesse berücksichtigt, die bei hohen Geschwindigkeiten im Gasstrom und an der Oberfläche auftreten. Dieses Modell kann zur detaillierten Modellierung der Wechselwirkung von Gas mit der Oberfläche eines Raumfahrzeugs verwendet werden, was für die Gestaltung seines Wärmeschutzes äußerst wichtig ist. Der Artikel wird in der Zeitschrift veröffentlicht Physik der Flüssigkeiten.
In einer Nichtgleichgewichtsströmung eines Gasgemisches laufen mikroskopische Prozesse im Zusammenhang mit den Wechselwirkungen von Molekülen (Umverteilung der inneren Energie, chemische Reaktionen und Ionisierung) auf derselben Zeitskala ab wie Änderungen hydrodynamischer Parameter wie Geschwindigkeit, Druck und Temperatur . Dies geschieht bei hohen Gasgeschwindigkeiten und Temperaturen. Wissenschaftler auf der ganzen Welt untersuchen diese Prozesse.
Noch interessantere Phänomene treten bei der Wechselwirkung eines nicht im Gleichgewicht befindlichen verdünnten Gases mit der Oberfläche eines Festkörpers auf. Wenn sich das Gas in der Nähe der Oberfläche befindet, können seine Geschwindigkeit und Temperatur aufgrund der geringen Dichte stark von den Indikatoren im Gasvolumen abweichen. Dies wird als „Slip-Effekt“ bezeichnet. Es spiegelt die physikalische Wechselwirkung eines Gases mit einer festen Oberfläche wider.
Die Oberfläche eines Körpers kann auch als Katalysator wirken und die Energiezustände der Partikel und die ablaufenden chemischen Reaktionen beeinflussen. Diese Einflüsse beeinflussen maßgeblich die Zusammensetzung der Mischung und den Wärme- und Stoffübergang.
Im Rahmen der Forschung wurde ein mathematisches Modell entwickelt. Es berücksichtigt Nichtgleichgewichtsprozesse im Gas und an der Oberfläche, wie Adsorption/Desorption, Anregung und Deaktivierung von Schwingungsfreiheitsgraden sowie heterogene chemische Reaktionen.
„Dadurch war es möglich, die Dynamik und Kinetik eines verdünnten Nichtgleichgewichtsgases nahe der Oberfläche von Festkörpern detailliert zu beschreiben. Das Hauptmerkmal der erhaltenen Randbedingungen ist die Fähigkeit, die Auswirkungen der physikalischen Wechselwirkung eines Gases mit richtig zu interpretieren die Oberfläche eines Körpers und berücksichtigen den Einfluss heterogener chemischer Reaktionen an der Grenzfläche“, sagte Elena Kustova, Leiterin der Abteilung für Hydroaeromechanik an der Universität St. Petersburg.
Die Berücksichtigung dieser Effekte ist bei einer Reihe praktischer Probleme äußerst wichtig. Zum Beispiel solche im Zusammenhang mit: Eintritt von Raumfahrzeugen in die Atmosphäre von Planeten; die Untersuchung von Überschallströmungen in den Düsen bodengestützter aerodynamischer Anlagen und Raketentriebwerke; und die Analyse von Gasströmen in Mikrokanälen, die in Mikroelektronik- und Vakuumanlagen verwendet werden.
Dieses Modell kann zum Entwurf von Wärmeschutzsystemen für Raumfahrzeuge verwendet werden. Insbesondere die Reduzierung der Wärmeschutzschicht des Weltraumbergungsfahrzeugs eröffnet Perspektiven für eine Erhöhung seiner verfügbaren Ladung.
Das Modell wurde im Rahmen einer Gasströmungsstudie in der Nähe eines Weltraumbergungsfahrzeugs mit einer Oberfläche aus Siliziumdioxid in der Erdatmosphäre getestet.
Die Ergebnisse zeigten, dass der Effekt der Verdünnung für die Vorhersage der Eigenschaften der Strömung wichtiger ist als der Effekt chemischer Reaktionen auf einer gering aktiven Oberfläche. Der mit dem neuen Modell berechnete Wärmefluss an der Fahrzeugwand in einer Höhe von 85 km war etwa 25 % geringer als bei Standardrandbedingungen.
Mehr Informationen:
L. Shakurova et al., Zustandsspezifische Schlupfrandbedingungen in Nichtgleichgewichtsgasströmungen: Theoretische Modelle und ihre Bewertung, Physik der Flüssigkeiten (2023). DOI: 10.1063/5.0161025