Ударные волны в смеси углекислого газа (CO₂) и инертных газов изучают в экспериментах для анализа параметров неравновесного газа и тепловых потоков при высоких температурах. Такие волны возникают при гиперзвуковых полетах, поэтому их изучение необходимо для моделирования входа спускаемых аппаратов в атмосферу Марса, основу которой составляет CO₂. Теоретические модели помогают интерпретировать эксперименты и применять полученные данные к реальным условиям для дальнейших исследований.
Однако в аэродинамических трубах ударные волны формируются в неравновесном потоке, это может искажать характеристики газа за фронтом волны и на поверхности модели. Как объясняют ученые, в реальности газ перед волной находится в равновесии, поэтому прямое использование экспериментальных данных без уточнений и поправок может привести к ошибкам во время полетов.
Механики Санкт‑Петербургского университета впервые изучили ударные волны в неравновесном CO₂ и на основании результатов исследования создали математическую модель, которая позволяет детально анализировать структуру ударных волн в углекислом газе и его смесях с инертными газами.
«Наша математическая модель описывает течение смеси углекислого газа и инертного газа, используя кинетическую теорию неравновесных процессов с учетом многомасштабных явлений. В отличие от двухатомных газов молекулы CO₂ имеют несколько колебательных мод, что затрудняет моделирование. Созданная модель строится на основе анализа микроскопических процессов — столкновений частиц и разных механизмов колебательной релаксации CO₂, чтобы определить ключевые факторы, влияющие на течение», — рассказала заведующая кафедрой гидроаэромеханики СПбГУ профессор РАН Елена Кустова.
Особенность подхода в том, что модель полностью самосогласованная: вместо использования эмпирических данных все уравнения и коэффициенты переноса (вязкость, теплопроводность, диффузия) выводятся теоретически, а диффузия в них учитывается впервые.
Для численного решения в СПбГУ разработали собственный код на основе метода конечных объемов, поскольку стандартные коммерческие программы не подходят для подобных уравнений. Весь процесс — от теоретического обоснования до расчетов — выполняется самостоятельно, без использования готовых решений.
Эксперименты подтвердили, что диффузия существенно влияет на теплопередачу в смеси CO₂ и гелия. Однако в традиционном подходе этот процесс не учитывается, из‑за чего расчеты дают заниженный в два раза тепловой поток. Разработка ученых Санкт‑Петербургского университета помогает избежать этого и значительно увеличивает точность прогноза нагрева спускаемых космических аппаратов.
Результаты исследования опубликованы в научном журнале Physics of Fluids.
