Цели и задачи проекта

• Разработать потенциал взаимодействия молекул азота и кислорода, учитывающий взаимную ориентацию молекул
• Исследовать на микроскопическом уровне механизм перераспределения энергии между различными степенями свободы в процессе межмолекулярных столкновений
• Разработать детальную микроскопическую модель столкновения молекул азота и кислорода с учетом возбуждения и релаксации внутренних степеней свободы
• Исследовать влияние внутренних степеней свободы в различных задачах со сверхзвуковым течением

Процесс исследования

Традиционно актуальность исследований в области сверхзвукового обтекания тел разреженным газом связана с развитием авиакосмической техники (высотная аэродинамика, вход в атмосферу возвращаемых космических аппаратов). В 2016 году к этим задачам добавилась еще одна – Роскосмосом было объявлено о начале работ по созданию возвращаемой первой ступени, которая будет оснащена крыльями и будет приземляться на аэродром аналогично самолету. Кроме того, в последние годы появилось важное земное приложение данных исследований, связанное с идеями высокоскоростного вакуумного транспорта. Важным аспектом моделирования таких течений является корректный учет возбуждения и релаксации внутренних степеней свободы при межмолекулярных столкновениях. Фундаментальная сложность такой проблемы состоит в необходимости моделирования на нескольких масштабных уровнях описания вещества – от квантового до континуального.

В ходе проекта была решена квантово-механическая задача ‒ расчет поверхности потенциальной энергии (ППЭ) для взаимодействия пары двухатомных молекул (азот‒азот, азот‒кислород, кислород‒кислород). Особое внимание уделено зависимости ППЭ от углов взаимной ориентации молекул. По полученным данным построено и протестировано силовое поле, необходимое для проведения молекулярно-динамических расчетов.

С использованием данного потенциала проведена серия из огромного (порядка 100 триллионов) молекулярно-динамических траекторных расчетов парных столкновений молекул азота и кислорода. Исследованы закономерности обмена энергией между поступательными и вращательными степенями свободы. На основе полученных результатов предложена детальная микроскопическая модель межмолекулярного столкновения для всех трех рассматриваемых пар молекул.

Полученная модель была встроена в методы динамики разреженного газа ‒ событийного молекулярно-динамического моделирования (EDMD) и прямого статистического моделирования Монте-Карло (DSMC), для решения газодинамических задач, в которых экспериментально наблюдается существенное нарушение равновесия между вращательными и поступательными степенями свободы. Была решена задача об истечении азота в вакуум и показано, что предложенная модель столкновения хорошо описывает имеющиеся эксперименты без какой-либо подгонки параметров. Также была решена классическая задача о течении Куэтта в широком диапазоне числе Кднусена в случае многоатомных молекул и показано, что внутренние степени свободы могут оказывать заметное количественное влияние на значения тепловых потоков.