Одним из главных принципов уникальной «системы Физтеха», заложенной в основу образования в МФТИ, является тщательный отбор одаренных и склонных к творческой работе представителей молодежи. Абитуриентами Физтеха становятся самые талантливые и высокообразованные выпускники школ всей России и десятков стран мира.

Студенческая жизнь в МФТИ насыщенна и разнообразна. Студенты активно совмещают учебную деятельность с занятиями спортом, участием в культурно-массовых мероприятиях, а также их организации. Администрация института всячески поддерживает инициативу и заботится о благополучии студентов. Так, ведется непрерывная работа по расширению студенческого городка и улучшению быта студентов.

Адрес e-mail:

Перенос излучения

Перенос излучения

Ответственные за направление Е.Н.Аристова, А.В.Шильков

История вопроса

Радиационный нагрев поверхности космического аппарата окружающим высокотемпературным газом привлекал неослабевающее внимание исследователей последние 50 лет. Прогресс этих исследований был неразрывно связан с развитием моделей гидродинамики и химии, так же как и с практическими целями по исследованию космоса и военными применениями. В течение 1960-ых расчетные модели эволюционировали от описания почти невязкого потока с объемным испусканием излучения (без газового поглощения) или с упрощенным учетом поглощения в приближении «серой» материи к моделям вязкого слоя в химическом равновесии и к «несерым» моделям поглощения с частичным разрешением спектра поглощения. В 1970-ых исследования радиационного теплопереноса сконцентрировались на условиях входа в атмосферу Земли при возвращении КА с Марса. Тогда же была рассмотрена химическая неравновесность состава газа при входе КА в атмосферу Венеры и показано, что радиационный нагрев вдвое отличается от нагрева в предположении химического равновесия. Исследование входа КА в атмосферы внешних планет (Уран, Юпитер) показало, что аэротермодинамическая нагрузка при входе велика и вызывает интенсивную абляцию материалов защиты. Продукты испарения оказывают существенное влияние на обтекающий поток и перенос радиации. Учет термодинамической и химической неравновесности в моделях вязкого обтекания, перестал быть экзотикой к концу 1980-ых и к началу 1990-ых.

Среди компьютерных кодов по расчету излучения ударного слоя три кода привлекли наибольшее внимание научного сообщества за прошедшие 35 лет. Это коды RAD/EQUIL, NEQAIR, и LORAN. Код RAD/EQUIL предполагал химическую и термодинамическую равновесность источников теплового излучения. Атомный континуум и полосы молекулярного поглощения учитывались модельным образом с помощью параметризаций. Второй важный радиационный код из упомянутых выше это код NEQAIR. В используемой этим кодом базе данных четыре раза больше линий по сравнению с базой данных, используемой кодом RAD/EQUIL. Системы полос молекулярного поглощения моделируются в NEQAIR с помощью line-by-line подхода, что требует значительных вычислительных ресурсов. Код LORAN был разработан как альтернатива кодам RAD/EQUIL и NEQAIR. Код детально учитывает атомарные линии поглощения, а все колебательно-вращательные линии молекулярных переходов «размазывает» по полосе данного колебательного перехода. Это позволяет избежать трудоемких line-by-line вычислений, применяемых в NEQAIR. Сравнение кодов LORAN и NEQAIR показало, что разница в значениях радиационного потока не превышает 6% во всех рассмотренных задачах.

В настоящее время учет профиля линий поглощения в предположении термодинамической и химической нерановесности газовой смеси является основным требованием к радиационному блоку.

Трудности, возникающие при моделировании переноса радиации

Как уже отмечалось, при температурах выше 1 эВ~104 ?К важную роль в механизмах передачи энергии начинает играть излучение. Перенос неполяризованного излучения описывается линейным уравнением переноса, которое относится к классу простейших уравнений в частных производных. Однако зачастую именно самые простые уравнения наиболее сложно решать.

Отметим несколько трудностей решения уравнения переноса:

  1. Функция распределения зависит от трех пространственных переменных, двух угловых, времени и энергии. В общем случае это семь переменных, и для больших пространственных сеток расчет уравнения переноса для адекватного набора угловых и энергетических переменных вычислительно дорог.
  2. Зависимость коэффициента поглощения от энергии имеет сложную многорезонансную структуру с количеством линий до нескольких миллионов. Корректный учет энергетической зависимости решения при приемлемых затратах вычислительных ресурсов представляет собой отдельную сложную задачу, отягощенную нелокальным взаимодействием излучения и вещества. 
  3. Наличие характеристик, на которых решение может терпеть разрыв, приводит к тому, что реальный порядок сходимости  метода для задач переноса излучения в три-четыре раза ниже порядка аппроксимации, определяемого теоретически на гладких решениях.
  4. В задачах переноса атмосферной радиации есть трудности, связанные с учетом рассеяния, сосредоточенных источников и ряд других. В задачах моделирования входа КА в атмосферу планет они несущественны.

Однако в случае спуска КА возникает ряд своих физических особенностей, влияющих на перенос излучения и радиационный нагрев. Поле течения вокруг спускаемого аппарата характеризуется сильной неоднородностью. Химический состав газовой среды за фронтом ударной волны определяется как ионизацией набегающего потока воздуха, так и испарением материалов защиты корпуса КА. Также не во всей области течения газ находится в состоянии локального термодинамического равновесия. В ряде режимов следует учитывать неравновесность распределения энергии между колебательно-вращательными степенями свободы молекул и неравновесность распределения состояний связанных электронов в атомах и ионах.

Направления работы

В работе по проекту предполагается создать:

  • базу данных по оптическим и термодинамическим свойствам веществ;
  • вспомогательные программы подготовки оптических и физико-химических констант для основного радиационного блока;
  • радиационный блок, включающий в себя несколько возможных вариантов расчета радиационных полей с разной степенью точности и в разных моделях учета физических процессов.

Радиационные блоки в современных расчетных кодах нацелены на учет всех перечисленных особенностей. Они включают в себя:

  • базы данных по оптическим и термодинамическим свойствам веществ,
  • вспомогательные программы подготовки оптических и физико-химических констант для основного радиационного блока,
  • радиационный блок, включающий в себя несколько возможных вариантов расчета радиационных полей с разной степенью точности и в разных моделях учета физических процессов.

В части учета спектральных характеристик излучения радиационный блок должен включать:

  • серию экономичных методик спектрального представления решения, не сильно теряющих в точности по сравнению с методами ‘line-by-line’, и сопоставимых по трудоемкости расчетов с многогрупповым приближением. Подобные методики разработаны, и, по предварительным оценкам, должны сократить требуемое число арифметических операций (по сравнению с методами ‘line-by-line’) на несколько порядков.
  • методику спектрального описания решения в общепринятом многогрупповом приближении,
  • методику проведения расчетов радиационного теплообмена в режиме ‘line-by-line’ с целью верификации экономичных методик и многогруппового приближения.

В части расчета пространственно-углового распределения радиационный блок должен включать:

  • высокоточный расчет пространственно-углового распределения радиационных полей на основе решения уравнения переноса,
  • приближенный расчет пространственно-углового распределения радиационных полей в диффузионном приближении.

Методики расчета пространственно-углового распределения радиации универсальны относительно использования того или иного представления спектра излучения (‘line-by-line’, экономичные методики, многогрупповое приближение).


Если вы заметили в тексте ошибку, выделите её и нажмите Ctrl+Enter.

© 2001-2016 Московский физико-технический институт
(государственный университет)

Техподдержка сайта

МФТИ в социальных сетях

soc-vk soc-fb soc-tw soc-li soc-li
Яндекс.Метрика