Нелинейная эволюция вихревой структуры в возбужденном молекулярном газе

Ю.Н. Григорьев, И.В. Ершов (Новосибирск)

В последние годы внимание исследователей привлекло влияние возбуждения энергетических уровней молекул на ламинарно-турбулентный переход (ЛТП) и генерацию турбулентности в течениях молекулярных газов. В работе [1] показано, что при гиперзвуковом обтекании пластины учет термической неравновесности может существенно изменить характеристики линейной устойчивости потока, причем влияние может быть как стабилизирующим, так и дестабилизирующим. Однако рост возмущений может прекратиться на нелинейной стадии, в связи с чем представляет интерес исследовать нелинейное взаимодействие возмущений конечной амплитуды с основным потоком. Из сценариев ЛТП и генерации турбулентности следует, что оба процесса нелинейны и реализуются через зарождение, эволюцию и распад характерных вихревых структур. При этом генерацию турбулентности можно рассматривать как процесс ЛТП, случайно повторяемый во времени и пространстве. Это дает возможность оценить влияние термической неравновесности на нелинейной стадии развития возмущений, моделируя взаимодействие организованных вихревых структур со средним течением.

В работе в рамках модели релаксационной газодинамики выполнено численное исследование эволюции крупной вихревой структуры в сдвиговом потоке молекулярного газа. Возбужденные степени свободы молекул описывались релаксационным уравнением Ландау – Теллера. Для оценки влияния параметра возбужденности внутренних степеней свободы на эволюцию возмущения (генерацию турбулентности) использовалось уравнение интегрального производства энергии возмущений (турбулентности), выведенное в [2] специально для модельной ячейки без предположения о малости возмущений. Результаты численного моделирования динамики вихревой структуры в сдвиговом потоке позволяют сделать качественный вывод, что возрастание возбуждения внутренних степеней свободы подавляет рост возмущений на нелинейной стадии.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 01-01-00827 ).

 

1. Bertolotti F.B. The influence of rotational and vibrational energy relaxation on bondary-layer stability. // J. Fluid Mech., 372, 1998, p. 93-118.

2. Grigoryev Yu. N., Ershov I.V. The organized vortex structure in relaxing gas flow. // Inter. Conf. on the Method of Aerophysical Research (ICMAR-20002), 1–7 July, 2002, Novosibirsk, Russia. Proceedings Part II / Ed. by A.M. Kharitonov. Novosibirsk: Publishing House “Nonparel”, 2002, p. 68 – 72.