Пространственные модели излучения струй продуктов сгорания ракетных двигателей

Основные результаты

• Разработан программный комплекс расчета направленной спектральной излучательной способности (сигнатур) излучающих пространственных объектов астрофизики и атмосферной физики, основанный на методах имитационного моделирования Монте-Карло;
• Принципиальной научной новизной разработанного программного комплекса является возможность определения спектральной излучательной способности струй, излучающих объемов произвольной формы;
• Данный программный комплекс включает в себя электронную базу данных спектральных оптических свойств нагретых газов и низкотемпературной плазмы;
• Больше информации по данному направлению можно найти в книге: Суржиков С.Т. Тепловое излучение газов и плазмы, Москва: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. 544 с. (Компьютерные модели физической механики).

Актуальные проблемы

• Создание баз данных спектральных оптических свойств излучающих газов при высоких температурах с учетом тонкой вращательной структуры спектра и неравновесного возбуждения молекулярных компонент;
• Разработка новых имитационных алгоритмов (включая алгоритмы параллельных вычислений) расчета спектральной излучательной способности с учетом и без учета тонкой вращательной структуры;
• Расчет сигнатур излучающих объектов с учетом тонкой вращательной структуры спектра;
• Создание трехмерных моделей имитационного моделирования, учитывающих пространственно-временные флуктуации и неравновесное излучение.

Развитие алгоритмов локальной выборки имитационного моделирования сигнатур

Генерация квазислучайных чисел; Расчет угловых координат изотропного и анизотропного случайного единичного вектора; Статистическое оценивание начальных координат траекторий фотонов; Расчет траектории группы фотонов в неоднородной среде; Моделирование длины свободного пробега; Статистическое оценивание столкновительных процессов фотонов с частицами среды; Расчет вероятности поглощения или рассеяния группы фотонов; Оценка вклада в направленную силу излучения после каждого элементарного акта взаимодействия группы фотонов с частицами среды; Расчет спектральной интенсивности излучения по результатам имитационного моделирования; Расчет спектральных потоков теплового излучения; Оценка статистической погрешности результатов имитации.

Температура газа (слева) и конденсированной фазы (справа) в осесимметричной струе

Температура газа в блочной струе

Интегральная излучательная способность трехблочной струи I-го типа с высоким уровнем рассеяния
N_ph=10⁶, где N_ph - число фотонов

(а)

(б)

Спектральная сигнатура тактической ракеты с топливом на основе AP/HTPB:
а) x_Al2O3=0.0005, r_p=1.0 мкм, N_Al2O3=4.04*10⁴ см^-3;
б) x_Al2O3=0.05, r_p=1.0 мкм, N_Al2O3=4.25*10⁶ см^-3.

Предсказание спектральной направленной излучательной способности цилиндрического объема (H₂O/N₂) при высоких температурах

(а)

(б)

Интерпретация экспериментальных данных ERIM:
а) Спектральная оптическая модель с усреднением на 25 см^-1;
б) Оптическая модель, основанная на базе данных HITRAN.

Предсказание спектральной направленной излучательной способности цилиндрического объема (СО₂/N₂) при высоких температурах

(а)

(б)

(в)

Интерпретация экспериментальных данных ERIM (при расчетах использовались экстраполированные по температуре данные HITRAN):
а) Усреднение по вращательной структуре (JLBL=0, JSUM=1);
б) Усреднение по вращательной структуре (JLBL=0, JSUM=0);
в) Статистическая модель вращательных линий (JLBL=3).

Предсказание спектральной направленной излучательной способности цилиндрического объема (СО₂/N₂), ослабленной холодным газом

(а)

(б)

Интерпретация экспериментальных данных ERIM (при расчетах использовались экстраполированные по температуре данные HITRAN):
а) Статистическая модель вращательных линий (JLBL=2, аппроксимация слабой линии), спектрально-групповая модель 25 см^-1;
б) Статистическая модель (JLBL=2), спектрально-групповая модель 25 см^-1.

Предсказание спектральной направленной излучательной способности цилиндрического объема (СО₂/N₂), ослабленной холодным газом

Интерпретация экспериментальных данных ERIM. Line-by-line расчеты со спектральным разрешением 0.0083 см^-1

---