Газовые и многофазные течения в микроустройствах

en 

Современные тенденции в аэрокосмической сфере, связанные с проектированием все меньших по размерам, более дешевых и более частых космических миссий, стимулировали развитие микро- и наноспутников. Использование группировок малых космических аппаратов является попыткой повысить общее качество выполнения задач связи и дистанционного зондирования, которые в настоящее время выполняются сравнительно небольшим числом крупных платформ. Так как микротехнологии дают преимущество, заключающееся в уменьшении объема ресурсов, используемых космическим аппаратом, продолжающееся развитие микротехнологий для космического применения расширяет возможности применения малых спутников. Использование наноспутников (масса от 1 до 10 кг) накладывает существенные ограничения на массу, мощность и объем, доступный для всех подсистем, включая двигательную. В последние годы для удовлетворения этой потребности разрабатывались системы, основанные на реактивных микродвигателях. Широкий спектр концепций таких двигателей требует решения задачи об истечении рабочего вещества через микросопла. Так как многие микродвигатели работают при относительно низких давлениях, исследования течений в соплах и струях при низких числах Рейнольдса является принципиально важными для реалистичной оценки новых концепций.

Предполагается выполнить цикл экспериментальных исследований сверхзвуковых течений в микросоплах, которые являются важным элементом реактивных микродвигателей систем ориентации микро- и наноспутников. Исследовательские работы будут включать в себя разработку технологии создания сверхзвуковых сопел микронного размера и разработку диагностики распределения массового расхода и импульса потока внутри микросопел и истекающих из них струй газовых смесей. В дополнение ожидается получить интегральные характеристики микросопел, такие как удельный импульс, тяга и характерное время импульса тяги двигателя. Цель данных работ заключается в увеличении удельной тяги микродвигателей, что должно привести к увеличению времени функционирования микро- и наноспутников и увеличить точность их управления. Будут проведены численные исследования с использованием кодов, основанных на уравнениях Навье-Стокса, модельных уравнениях и методе ПСМ для моделирования инертных, химически-реагирующих и многофазных течений в микросоплах и микроструях. Будут рассмотрены плоские, двумерные и трехмерные микросопла. Численные исследования будут направлены на прояснение особенностей течения в микросоплах и истекающих из них струях. Для химических и электротепловых ракетных микродвигателей переход на малые масштабы длины (или малые числа Рейнольдса) приводит к существенному уменьшению тяги, связанному с увеличением вязких и тепловых потерь. Будет проведено численное и экспериментальное исследование структуры течения и характеристик микросопел с целью реалистичной оценки новых концепций микродвигателей. Пристальное внимание будет уделено определению характеристик двигательных установок, которые масштабируются благоприятным образом с уменьшением размера двигателя. Высокоточные модели взаимодействия газа с поверхностью будут реализованы в программе, предназначенной для расчетов методом ПСМ на гибридных суперкомпьютерах, и валидированы сравнением с экспериментальными данными. Также будут исследованы эффекты шероховатости стенки и их влияние на характеристики микродвигателя.

Быстрый технологический прогресс в области изготовления миниатюрных устройств в последние два десятилетия сделал возможным производство и эксплуатацию микроэлектромеханических (MEMS) и нано-электромеханических систем (NEMS). Во многих микроустройствах, таких как микронасосы, турбины, клапаны, сопла и т.п., происходят течения газа в диапазонах как дозвуковых, так и сверхзвуковых скоростей. Вследствие очень небольших геометрических размеров MEMS-устройств, течения, происходящие в них, приобретают свойства, существенно отличные от привычных свойств течений жидкости и газа на макроскопических масштабах.

Одной из наиболее актуальных задач дальнейшего развития MEMS-технологии является разработка устройств, способных производить механическую работу из тепловой энергии, выделяющейся в результате химической реакции, т.е. микродвигателей. На микроуровне временные масштабы, связанные с механизмом теплоотдачи резко уменьшаются, в то время как характерные времена тепловыделения практически не зависят от размера. Следовательно, эффективность обычных устройств, таких как двигатели внутреннего сгорания и газовые турбины, катастрофически падает при их простом геометрическом масштабировании до миниатюрных размеров. Одним из возможных способов преодоления этой принципиальной проблемы является увеличение скорости выделения тепла за счет горения, индуцированного (и/или поддерживаемого) ударными волнами. Это приводит к необходимости лучшего понимания механизма, определяющего явления, связанные с ударными волнами на микромасштабах. Эффекты вязкости и теплопроводности, тепловые потери за счет теплопередачи на стенке, а также неравновесные явления, наблюдаемые в разреженных течениях, являются принципиально важными в задачах распространения и взаимодействия ударных волн на микромасштабах, в то время как обычно ими можно пренебречь при рассмотрении ударных волн на макромасштабах.

Следовательно требуется более глубокое понимание физических механизмов, определяющих динамику микроскопических ударных и детонационных волн. Существенные усилия направлены в данный момент в этом направлении, в частности, начаты исследования, направленные на создание микроскопической экспериментальной установки (ударной трубы диаметром 10 мкм). В некоторых недавних работах рассматривается процесс микродетонации (детонации при микроскопических объемах взрывчатого вещества). Интересные результаты были получены в экспериментальных исследованиях распространения детонационных волн в капиллярных трубках (В.И. Манжалей,, Институт гидродинамики СО РАН, 1992-1999), в частности, было установлено, что детонационные волны в таких условиях могут распространяться со скоростями, которые составляют только 0,45-0,6 от скорости Чепмена-Жуге. Следует отметить, что распространение детонационных волн в капиллярах, имеет важное значение для проблемы взрывобезопасности.

Для чисел Кнудсена Kn ~ 0,01 и выше, континуальный подход должен использоваться с осторожностью, и результаты моделирования должны проверяться сравнением с кинетическим подходом. Таким образом, для изучения детонации на микроскопических масштабах, где характерные числа Кнудсена могут превышать 0,01 необходимо использовать кинетический подход, а именно, метод ПСМ.

В рамках предлагаемой исследовательской лаборатории структура нестационарной детонационной волны в микроканале будет исследована с использованием метода ПСМ. Для этого будет проведена дальнейшая разработка и численная реализация молекулярных столкновительных моделей и алгоритмов метода ПСМ. В частности, процессы рекомбинации, требующие моделирования тройных столкновений, будут рассмотрены в деталях.

Назад