539.3 Сопряженное моделирование высокоскоростной аэротермодинамики и внутреннего тепломассопереноса в композитных аэрокосмических конструкциях

Димитриенко Ю. И. (МГТУ им.Н.Э.Баумана), Коряков М. Н. (МГТУ им.Н.Э.Баумана), Юрин Ю. В. (МГТУ им.Н.Э.Баумана), Захаров А. А. (МГТУ им.Н.Э.Баумана), Сборщиков С. В. (МГТУ им.Н.Э.Баумана), Богданов И. О. (МГТУ им.Н.Э.Баумана)

СОПРЯЖЕННЫЕ ЗАДАЧИ, АЭРОТЕРМОДИНАМИКА, ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОС, ТЕРМОДЕСТРУКЦИЯ, КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ПОРОВОЕ ДАВЛЕНИЕ, АБЛЯЦИЯ, ТЕПЛОВАЯ ЗАЩИТА, ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ


doi: 10.18698/2309-3684-2021-3-4261


Рассматривается сопряженная задача высокоскоростной аэротермодинамики и внутреннего тепломассопереноса в теплозащитных конструкциях возвращаемых космических аппаратов из аблирующих полимерных композиционных материалов. Для определения тепловых потоков в ударном слое возвращаемого аппарата учитывается химический состав атмосферы. Сформулирована математическая постановка сопряженной задачи и предложен алгоритм численного решения. Представлен пример численного решения задачи для возвращаемого космического аппарата Stardust. Показано, что учет химических реакций в потоке газа, обтекающем поверхность возвращаемого аппарата, является существенным для корректного определения температуры газа в пограничном слое. Показано также, что разработанная численная методика решения задачи позволяет определять параметры фазовых превращений в теплозащитной конструкции в зависимости от времени нагрева, в частности позволяет рассчитывать поле порового давления газообразных продуктов терморазложения полимерного композита, которое при определенных условиях может привести к разрушению материала.


Riccio A., Raimondo F., Sellitto A., Carandente V., Scigliano R., Tescione D. Optimum design of ablative thermal protection systems for atmospheric entry vehicle. Applied Thermal Engineering, 2017, no.119, pp.541–552.
Ayasoufi A., Rahmani R.K., Cheng G., Koomullil R., Neroorkar K. Numerical simulation of ablation for reentry vehicles. Collection of Technical Papers — 9th AIAA/ASME Joint Thermophysics and Heat Transfer Conference Proceedings, vol.1, pp.14–25.
Carandente V., Savino R., Iacovazzo M., Boffa C. Aerothermal analysis of a sample-return reentry capsule. Fluid Dynamics and Materials Processing, 2013, vol.9, iss.4, pp.461–484.
Beerman A.F., Lewis M.J., Starkey R.P., Cybyk B.Z. Significance of nonequilibrium surface interactions in Stardust return capsule ablation modeling. Journal of Thermophysics and Heat Transfer, 2009, vol.23, no.3, pp.425–432.
Wang H., Liu L., Zhang W. Fluid-thermal-structure coupled analysis of radome for hypersonic flight vehicle. Advances in Engineering Research, 2017, vol.141, pp.1272–1277.
Weng H., Martin A. Numerical investigation on charring ablator geometric effects: study of stardust sample return capsule heat shield.53rd AIAA Aerospace Sciences Meeting, 2015, art.no. AIAA 2015-0211. DOI: 10.2514/6.2015-0211
Алифанов О.М., Иванков А.А., Нетелев А.В., Финченко В.С. Исследование характеристик теплозащитного покрытия аэроупругих тормозных устройств спускаемых в атмосфере планет аппаратов. Труды МАИ, 2013, № 71, c.18.
Димитриенко Ю.И. Механика композитных конструкций при высоких температурах. Москва, Физматлит, 2018, 448 с.
Dimitrienko Yu.I. Internal heat-mass transfer and stresses in thin-walled structures of ablating materials. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1997, vol.40, no.7, pp.1701–1711.
Dimitrienko Y.I., Dimitrienko I.D. Effect of thermomechanical erosion on heterogeneous combustion of composite materials in high-speed flows. Combustion and Flame, 2000, vol.122, iss.3, pp.211–226.
Dimitrienko Yu.I. A structural thermo-mechanical model of textile composite materials at high temperatures. Composites Science and Technology, 1999, vol.59, iss.7, pp.1041–1053.
Dimitrienko Yu.I. Thermomechanical behaviour of composite materials and structures under high temperatures: 2. Structures. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 1997, vol.28, iss.5, pp.463–471.
Димитриенко Ю. И., Коряков М. Н., Захаров А. А., Строганов А. С. Численное моделирование сопряженных аэрогазодинамических и термомеханических процессов в композитных конструкциях высокоскоростных летательных аппаратов. Математическое моделирование и численные методы, 2014, № 3, c.3–24.
Димитриенко Ю.И., Коряков М.Н, Захаров А.А. Применение метода RKDG для численного решения трехмерных уравнений газовой динамики на неструктурированных сетках. Математическое моделирование и численные методы, 2015, № 4, с. 75–91.
Димитриенко Ю.И., Коряков М.Н., Захаров А.А. Разработка технологий численного моделирования сопряженных задач газовой динамики и термодинамики композитных конструкций перспективных высокоскоростных летательных аппаратов. Известия Самарского научного центра Российской академии наук, 2016, т. 18, № 2–3, с. 891–895.
Dimitrienko Y.I., Zakharov A.A., Koryakov M.N. Coupled problems of high-speed aerodynamics and thermomechanics of heat-shielding structures. Journal of Physics: Conference Series, 2018, vol.1141, art.no.012094. DOI: 10.1088/1742-6596/1141/1/012094
Димитриенко Ю.И., Коряков М.Н., Юрин Ю.В., Захаров А.А. Конечно-элементное моделирование термонапряжений в композитных термодеструктирующих конструкциях при аэродинамическом нагреве. Математическое моделирование и численные методы, 2019, № 2, с. 15–34.
Dimitrienko Y.I., Zakharov A.A., Koryakov M.N. Computational modeling of the conjugated thermomechanical and aerogasdynamics processes for composite structures of high speed vehicles. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2019, vol.683, art.no.012007. DOI: 10.1088/1757-899X/683/1/012007
Anderson J.D. Hypersonic and high-temperature gas dynamics.2nd edition. American Institute of Aeronautics and Astronautics, Reston, Virginia, 2006, 232 p.
Краснов Н.Ф. Аэродинамика. Т.1. Основы теории. Аэродинамика профиля и крыла. Москва, Высшая школа, 1980, 496 с.
Краснов Н.Ф. Аэродинамика. Т.2. Методы аэродинамического расчета. Москва, Высшая школа, 1980, 416 с.
Димитриенко Ю.И., Котенев В.П., Захаров А.А. Метод ленточных адаптивных сеток для численного моделирования в газовой динамике. Москва, Физматлит, 2011, 280 с.
Димитриенко Ю.И. Механика сплошной среды. Т. 1. Тензорный анализ. Москва, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011, 367 с.
Гильманов А.Н. Методы адаптивных сеток в задачах газовой динамики. Москва, Физматлит, 2000, 248 с.
Куликовский А.Г., Погорелов Н.В., Семёнов А.Ю. Математические вопросы численного решения гиперболических систем уравнений. Москва, Физматлит, 2012, 656 с.


Димитриенко Ю.И., Коряков М.Н., Юрин Ю.В., Захаров А.А., Сборщиков С.В., Богданов И.О. Сопряженное моделирование высокоскоростной аэротермодинамики и внутреннего тепломассопереноса в композитных аэрокосмических конструкциях. Математическое моделирование и численные методы, 2021, № 3, с. 42–61.



Скачать статью

Количество скачиваний: 225