Лаборатория радиационной газовой динамики. Подробная информация

• Основные достижения
• Общая информация
• Наиболее значимые публикации сотрудников лаборатории
  • Книги
  • Статьи
• Экспериментальные исследования

См. также Общие сведения о лаборатории

См. также Гиперзвуковая ударная аэродинамическая труба (ГУАТ)

См. также Семинар Радиационная газодинамика (руководитель: С.Т. Суржиков)

Основные достижения

• Разработана универсальная компьютерная система ASTEROID, предназначенная для расчета спектральных оптических свойств нагретых газов и низкотемпературной плазмы. Эти свойства необходимы для решения задач аэрокосмической техники. Система основана ab-initio методах классической, квазиклассической и квантовой механики.
• Разработана компьютерная радиационно-газодинамическая модель спускаемых космических аппаратов, предназначенных для посадки на поверхность Марса. Разработанная модель переноса селективного теплового излучения позволяет рассчитывать спектральные и интегральные радиационные тепловые потоки на всей поверхности космического аппарата, а также излучательную способность ударного слоя и следа, которая может регистрироваться орбитальным космическим аппаратом.
• Расчетно-теоретическими методами обнаружено новое явление автоколебаний и бифуркации дозвукового газового потока за локализованной областью энерговыделения. Локализованное энерговыделение может быть связано, например, с поглощением фокусированного лазерного излучения.
• Разработаны компьютерные коды, реализующие трехмерные МГД-модели, предназначенные для моделирования различных плазменных явлений, протекающих в том числе в режиме радиационно-газодинамического взаимодействия.
• Разработаны модели для расчета пространственной электродинамической структуры газовых разрядов в различных условиях.
• Разработан программный комплекс расчета направленной спектральной излучательной способности (сигнатур) излучающих пространственных объектов астрофизики и атмосферной физики, основанный на методах имитационного моделирования Монте-Карло.
• Разработаны компьютерные коды расчета переноса селективного излучения в сложной двух- и трехмерной геометрии.
• Выполнены экспериментальные исследования структуры ударно-волновых конфигураций, возникающих при обтекании моделей сложной геометрии.

• 
  Число Маха и давление при обтекании
  спускаемого космического аппарата Аполлон-4
• 
  Температура (сверху) и число Маха (снизу)
  при обтекании летательного аппарата HiFIRE-1
  при числе Маха 6.58
• 
  Конвективный нагрев поверхности спускаемого
  марсианского космического аппарата Schiaparelli
  на высоте 25.5 км при скорости 2 км/c
• 
  Градиент плотности
  при обтекании двойного острого конуса
  со скоростью 2.57 км/c,
  давлении 18.5 Па, температуре 102.7 К
• 
  Конвективный (красная линия)
  и радиационный (синяя линия)
  нагрев поверхности спускаемого
  марсианского космического аппарата Schiaparelli
  на высоте 28.2 км при скорости 2.6 км/c
• 
  Структура нормального тлеющего разряда
• 
  Пространственное распределение температуры
  при обтекании высокоскоростного
  летательного аппарата Waverider
  при М=7.36

Общая информация

Лаборатория радиационной газовой динамики была организована в 1998 г. доктором физико-математических наук, профессором С.Т. Суржиковым.

В лаборатории проводятся расчетно-теоретические и экспериментальные исследования в области физической механики, аэротермодинамики, физики газовых разрядов и низкотемпературной плазмы.

Создана и развивается компьютерная платформа (универсальная компьютерная многомодульная система) ASTEROID, предназначенная для расчета спектральных оптических свойств горячих газов и низкотемпературной плазмы применительно к проблемам аэрокосмической техники, а также для решения задач переноса спектрального теплового излучения и радиационной газовой динамики. Данная компьютерная система основана на использовании ab initio методов классической, квазиклассической и квантовой механики.

В лаборатории разрабатываются двух- и трехмерные компьютерные радиационно-газодинамические модели высокоскоростных летательных аппаратов и спускаемых космических аппаратов, предназначенных для исследования планет Солнечной системы и возвращения на Землю. Указанные компьютерные модели, реализованные в авторских программных кодах, основаны на системе уравнений Навье–Стокса, физической и химической кинетики многокомпонентных газовых смесей и переноса селективного теплового излучения.

Создан и развивается программный комплекс для расчета неравновесного спектрального излучения ударных волн применительно к атмосферам планет Солнечной системы, включающий в себя самосогласованные вычислительные модели расчета газодинамических параметров ударных волн, неравновесных физико-химических релаксационных процессов за фронтом ударной волны, неравновесных химических превращений в газовой смеси и неравновесного излучения в условиях отсутствия больцмановского распределения частиц по возбужденным энергетическим состояниям атомов и молекул. Проводится систематический анализ новых экспериментальных данных по неравновесному излучению сильных ударных волн в разных газовых смесях. Ведутся фундаментальные исследования в области неравновесной статистической термодинамики и излучения многотемпературных сред.

Созданы теоретические модели динамики газовых разрядов в разреженных частично ионизованных газовых потоках во внешних магнитных полях (поднормальных, нормальный и аномальный тлеющие разряды, разряды Пеннинга), на основе которых создаются расчетно-теоретические модели электромагнитных актюаторов в разреженных гиперзвуковых потоках.

Создан рад программных комплексов, объединенных в компьютерную платформу аэротермодинамики высокоскоростных летательных аппаратов.

Создана гиперзвуковая ударная аэродинамическая труба (ГУАТ) ИПМех РАН, позволяющая проводить фундаментальные и прикладные исследования ударно-волновых процессов. Данная экспериментальная установка включена в государственный перечень Уникальных научных установок (УНУ). Важным назначением указанного лабораторно-экспериментального стенда является постановка тестовых экспериментов с целью валидации авторских компьютерных кодов, разрабатываемых в лаборатории. В настоящее время проводится серия валидирующих экспериментальных исследований закономерностей ударно-волновых взаимодействий с аэродинамическими моделями при скоростях М=5–8.

Создана экспериментальная установка по исследованию фундаментальных закономерностей горения тлеющих разрядов в нормальной моде. Выполнен ряд пионерских расчетных и экспериментальных исследований в области самоорганизации плазменных структур.

Лаборатория поддерживает постоянные научные контакты с ведущими Российскими аэрокосмическими организациями, с Европейским космическим агентством (ONERA, CNES, ESTEC), с европейскими университетами Германии, Италии и Франции.

Сотрудники лаборатории принимают активное участие в программах фундаментальных исследований Российской академии наук, в выполнении грантов Российского научного фонда, Российского фонда фундаментальных исследований и контрактов с различными отраслевыми организациями.

Лаборатория радиационной газовой динамики является базовой для подготовки бакалавров, магистров и аспирантов по кафедре «Физической и химической механики» Московского физико-технического института.

Лаборатория является организатором ежегодных Всероссийских школ-семинаров (научных конференций) «Аэрофизика и физическая механика классических и квантовых систем». Сотрудники лаборатории активно публикуются в ведущих отечественных и международных научных журналах, являются авторами серии фундаментальных монографий в области физической механики и аэротермодинамики.

Наиболее значимые публикации сотрудников лаборатории

Книги

1. Суржиков С.Т. Вычислительный эксперимент в построении радиационных моделей механики излучающего газа. – М.: Наука, 1992 – 160 с.
2. Суржиков С.Т. Тепловое излучение газов и плазмы. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. – 2004 – 544 с. (Компьютерные модели физической механики)
3. Суржиков С.Т. Оптические свойства газов и плазмы. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. – 2004 – 576 с. (Компьютерные модели физической механики)
4. Суржиков С.Т. Физическая механика газовых разрядов. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. – 2006 – 640 с. (Компьютерные модели физической механики)
5. Суржиков С.Т. Расчетное исследование аэротермодинамики гиперзвукового обтекания затупленных тел на примере анализа экспериментальных данных. – М.: ИПМех РАН, 2011 – 192 с. [djvu]
6. Суржиков С.Т. Гиперзвуковое обтекание разреженным газом поверхностного тлеющего разряда с внешним магнитным полем. – М.: ИПМех РАН, 2011 – 273 с. [djvu]
7. Surzhikov S.T. Computational Physics of Electric Discharges in Gas Flows. Walter de Gruyter GmbH, Berlin/Boston. 2013. 428 p.
8. Суржиков С.Т. Радиационная газовая динамика спускаемых космических аппаратов. Многотемпературные модели. – М.: ИПМех РАН, 2013 – 706 с. [djvu]
9. Железнякова А.Л., Суржиков С.Т. На пути к созданию модели виртуального ГЛА. – М.: ИПМех РАН, 2013 – 160 с. [djvu]
10. Surzhikov S.T. High-Enthalpy Radiating Flows in Aerophysics. In book: Plasma Modelling. Methods and Applications. Editors: Gianpiero Colonna and Antonio D'Angola. 2016. IOP Plasma Physics Series. Iop Publishing, Bristol, UK
11. Joseph J.S. Shang, Sergey T. Surzhikov. Plasma Dynamics for Aerospace Engineering. Cambridge University Press. 2018. 402 p.
12. Суржиков С.Т. Компьютерная аэрофизика спускаемых космических аппаратов. Двухмерные модели – М.: Физматлит. – 2018 – 672 с.
13. Surzhikov S.T. Hypersonic Meteoroid Entry Physics. In book: Hypersonic Meteoroid Entry Physics. Editors: Gianpiero Colonna, Mario Capitelli and Annarita Laricchiuta. 2019. IOP Plasma Physics Series. Iop Publishing, Bristol, UK
14. Surzhikov S.T. Theoretical and Computational Physics of Gas Discharge Phenomena. Walter de Gruyter GmbH, Berlin/Boston. 2020. 540 p.

Статьи

1. Ermakov M.K., Ermakova M.S. Linear-stability analysis of thermocapillary convection in liquid bridges with highly deformed free surface // Journal of Crystal Growth. 2004. V. 266. P. 160-166. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2004.02.041
2. Borovikov S.N., Pogorelov N.V., Zank G.P., Kryukov I.A. Consequences of the heliopause instability caused by charge exchange // Astrophysical Journal. 2008. V. 682. No. 2. P. 1404-1415. DOI: 10.1086/589634
3. Котов М.А., Кузенов В.В. Численное моделирование обтекания поверхностей перспективных гиперзвуковых летательных аппаратов // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2012. № 3. С. 17-30. [журнал, elibrary]
4. Surzhikov S.T., Shang J.S. Coupled Radiation-Gasdynamic Model for Stardust Earth Entry Simulation // Journal of Spacecraft and Rockets. 2012. V. 49. No. 5. P. 875-888. DOI: 10.2514/1.A32027
5. Shang J.S., Surzhikov S.T. Nonequilibrium radiative hypersonic flow simulation // Progress in Aerospace Sciences. 2012. V. 53. P. 46-65. DOI: 10.1016/j.paerosci.2012.02.003
6. Zheleznyakova A.L., Surzhikov S.T. Molecular dynamic-based unstructured grid generation method for aerodynamic application // Computer Physics Communication. 2013. V. 184. Iss. 12. P. 2711-2727. DOI: 10.1016/j.cpc.2013.07.013
7. Иванов И.Э., Крюков И.А., Ларина Е.В. Влияние времени релаксации турбулентной вязкости на моделирование течений в соплах и струях // Изв. РАН. МЖГ. 2014. № 5. С. 149-159. [журнал, elibrary]
   = Ivanov I.E., Kryukov I.A., Larina E.V. Effect of the turbulent viscosity relaxation time on the modeling of nozzle and jet flows // Fluid dynamics. 2014. V. 49. No. 5. P. 694-702. DOI: 10.1134/S0015462814050172
8. Полежаев Ю.В., Селезнев Р.К. Численное исследование процессов возникновения резонанса в экспериментальной установке импульсно-детонационного двигателя // ТВТ. 2014. Т. 52. № 2. С. 234-239. DOI: 10.7868/S0040364414020197 [журнал, mathnet, elibrary]
   = Polezhaev Yu.V., Seleznev R.K. Numerical study of the processes of resonance emergence in the experimental setup of a pulse detonation engine // High Temperature. 2014. V. 52. No. 2. P. 226-230. DOI: 10.1134/S0018151X14020199
9. Koichi Nishino, Taishi Yano, Hiroshi Kawamura, Satoshi Matsumoto, Ichiro Ueno, Michael K. Ermakov. Instability of thermocapillary convection in long liquid bridges of high Prandtl number fluids in microgravity // Journal of Crystal Growth. 2015. V. 420. P. 57-63. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2015.01.039
10. Сторожев Д.А., Суржиков С.Т. Численное моделирование двухмерной структуры тлеющего разряда в молекулярном азоте с учетом колебательной кинетики // ТВТ. 2015. Т. 53. № 3. С. 325-336. DOI: 10.7868/S0040364415010184 [журнал, mathnet, elibrary]
    = Storozhev D.A., Surzhikov S.T. Numerical simulation of the two-dimensional structure of glow discharge in molecular nitrogen in light of vibrational kinetics // High Temperature. 2015. V. 53. Iss. 3. P. 307-318. DOI: 10.1134/S0018151X15010186
11. Zheleznyakova A.L. Molecular dynamics-based triangulation algorithm of free-form parametric surfaces for computer-aided engineering // Computer Physics Communication. 2015. V. 190. P. 1-14. DOI: 10.1016/j.cpc.2014.12.018
12. Timokhin M.Y., Bondar Y.A., Kokhanchik A.A., Ivanov M.S., Ivanov I.E., Kryukov I.A. Study of the shock wave structure by regularized Grad's set of equations // Physics of Fluids. 2015, V. 27. Iss. 3. 037101. DOI: 10.1063/1.4913673
13. Bessonov O., Yatsukhno D., Surzhikov S., Andrienko D., Annaloro J., Hebert P.-J., Omaly P. Radiative Gas Dynamics of MSL and Exomars at Angle of Attack in view of Turbulent Heating // AIAA Paper 2018-0982. 2018. 37 p. DOI: 10.2514/6.2018-0982
14. Yatsukhno D., Surzhikov S., Andrienko D., Annaloro J., Omaly P. Different Estimations of the Convective and Radiative Heating for the Martian Entry Probes // AIAA Paper 2019-0973. 2019. 52 p. DOI: 10.2514/6.2019-0793
15. Kotov M.A., Ruleva L.B., Solodovnikov S.I., Surzhikov S.T. Gas dynamic process formation in reflected shock tunnels and its validation purposes by hypersonic aerodynamic shock tube example // Journal of Physics: Conference Series. 2019. Vol. 1250. 012014. DOI: 10.1088/1742-6596/1250/1/012014
16. Seleznev R.K., Surzhikov S.T., Shang J.S. A review of the scramjet experimental data base // Progress in Aerospace Sciences. 2019. Vol. 106. P. 43-70. DOI: 10.1016/j.paerosci.2019.02.001
17. Суржиков С.Т. // Изв. РАН. МЖГ. 2019. № 1. С. 99-114. DOI: 10.1134/S0568528119010146
    = Surzhikov S.T. Calculation of nonequilibrium radiation of shock waves in the air using two models // Fluid Dynamics. 2019. Vol. 54. No. 1. P. 98-113. DOI: 10.1134/s0015462819010142
18. Yatsukhno D.S. Application of the finite volume method for the standard ballistic model aerodynamics calculations // Journal of Physics: Conference Series. 2019. Vol. 1250. 012011 DOI: 10.1088/1742-6596/1250/1/012011
19. Суржиков С.Т. Расчетный анализ ионизации сжатого слоя при входе космического аппарата Schiaparelli в плотные слои атмосферы Марса // Изв. РАН. МЖГ. 2020. № 3. С. 80-92. DOI: 10.31857/S0568528120030123
    =  Surzhikov S.T. Numerical Analysis of Shock Layer Ionization during the Entry of the Schiaparelli Spacecraft into the Martian Atmosphere // Fluid Dynamics. 2020. Vol. 55. No. 3. P. 364-376. DOI: 10.1134/s001546282003012x
20. Ermakov E.A., Ivanov I.E., Kryukov I.A. et al. Numerical simulations of nanosecond discharge in gas-dynamic flows // Journal of Physics: Conference Series. 2020. Vol. 1647. 012015. DOI: 10.1088/1742-6596/1647/1/012015

Экспериментальные исследования

ГУАТ предназначена для исследования картины обтекания гиперзвуковыми газовыми потоками смесями газов моделей профилей перспективных гиперзвуковых летательных аппаратов (ГЛА); моделей простых геометрических форм для валидации разрабатываемых национальных кодов для ГЛА в реальных условиях эксплуатации; для исследования физико-химической кинетики газовых смесей и термофизических свойств ударных волн (УВ). УНУ «Гиперзвуковая ударная аэродинамическая труба» (ГУАТ), являющаяся одновременно ударной и аэродинамической трубой, в настоящее время рассчитана на числа Маха М=6–12 с возможностью увеличения. ГУАТ автоматизирована, компьютеризирована, снабжена современным оборудованием и сертифицированными датчиками, установленными как в ударной части трубы, так и на моделях ЛА. Четыре секции рабочей части ударной трубы, образующие цилиндрический канал диаметром 80 мм общей длиной до 12 м, соединяются с форкамерой через систему профилированных сопел для формирования сверхзвуковых потоков требуемых конфигураций и параметров. Общая длина установки 18 м. Гиперзвуковой поток формируется ударной волной в ударной части ГУАТ, что не требует больших энергетических затрат. ГУАТ располагает большим аэродинамическим блоком (800 л) со смотровым окном, выходом сопла и моделями, установленными перед ним. Ударно-волновые картины обтекания моделей гиперзвуковым потоком фиксируются быстродействующей видеокамерой. Суммарное время квазистационарных процессов составляет 15–30 мс. Уникальная конструкция ГУАТ позволяет за одну инициацию ударной волны фиксировать процессы обтекания моделей летательных аппаратов (ЛА) при различных числах Маха, что подтверждено патентами ИПМех РАН.

На лабораторной установке «Нормальный тлеющий разряд» проводятся исследования газоразрядной плазмы в режиме нормальной плотности тока. Она оснащена регулируемым высоковольтным источником Spellman, вакуумным насосом, спектрографом Horiba и другим оборудованием. Экспериментально получены фото квазистационарной газоразрядной плазмы, вольт-амперные характеристики и спектры в различных газах.

• 
  Гиперзвуковая ударная аэродинамическая труба
• 
  Экспериментальная установка
  по исследованию нормального
  тлеющего разряда

Информация на декабрь 2020 г.