Введение к работе
Актуальность темы. Исследование взаимодействия неравномерных сверхзвуковых потоков с преградами является в настоящее время одной из актуальных и сложных проблем прикладной аэродинамики. К задачам, посвященным этой тематике, относятся такие исследования как сверхзвуковое течение около тела с установленными впереди него иглой или щитком, движение тормозного устройства, соединенного с передним телом стропами или жесткой пггангой, обтекание двух раздельно летящих тел, один е следе другого. В большинстве известных из литературы экспериментальных работ, посвященных анализу сверхзвукового движения тела в дальнем или ближнем следе, рассматривается достаточно узкий диапазон чисел Маха и Рейнольдса. Наличие большого числа дополнительных определяющих параметров (характеризующих теплоБое состояние поверхностей, относительные размеры тел, расстояние между ними) делает затруднительным или невозможным моделирование сверхзвукового обтекания тел потоком типа следа на существующих экспериментальных установках сразу по всем основным параметрам. Кроме того, физическое моделирование движения тела в дальнем сверхзвуковом следе оказывается чрезвычайно дорогостоящим и трудоемким.
Б этих условиях единственно возможным и приемлемым инструментом, исследования является численный эксперимент. Основные требования к используемой численной методике состоят в достоверности полученных результатов и эффективности их достижения. Численное решение полных уравнений Навье-Огокса служит основой такого численного эксперимента, однако требует больших затрат оперативной памяти и времени счета ЪЕМ. При расчете сравнительно простых течений необязательно обращаться к решению полных уравнений Навье-Отокса; при отсутствии отрывных течений эффективным является использование упрощенных уравнений Навье-Огокса таких как, например, уравнения вязкого ударного слоя. В связи с этим актуальней является разработка эффективных численных методов для таких упрощенных, но Еесьма содержательных газодинамических моделей, адекватно описывающих течения вязкого газа около тела, находящегося в сверхзвуковом потоке и, в частности, в сверхзвуковом следе.
При движении тела со сверхзвуковой скоростью по траектории входа в атмосферу Земли числа Рейнольдса в набегающем потоке меняются б широком гщапазоне, что часто приводит к смене режимов течений в ударном слое. Исследование характеристик тепломассообмена при ламинарном, переходном и турбулоттгнсм режимах течения в ударном слое г
рамках единого алгоритма , пригоднбго для анализа течения около тела на протяжении всей траектории полета, является актуальной и практически важной проблемой. Кроме того, большой интерес представляет исследование малоизученных процессов массообмена на удлиненных затупленных телах в случае принудительного вдува газа-охладителя с поверхности.
В данной работе исследование сверхзвукового обтекания затупленных тел вращения неравномерным потоком вязкого теплопроводного газа проводится, в основном, с использованием стационарных уравнений полного вязкого ударного слоя (ПВУС). Некоторые аналитические результаты получены в рамках модели тонкого (гиперзвукового) вязкого ударного слоя (ТВУС). Уравнения ТВУС и ПВУС имеют правильную асимптотическую природу при больших числах Маха и больших числах Рейнольдса с сохранением членов порядка,единицы и членов второго порядка 0(Re ). В случае равномерных потоков эти уравнения дают результаты, близкие к решению уравнений Навье-Стокса в широком диапазоне чисел Рейнольдса, включая малые числа Рейнольдса. В связи с тем, что в уравнениях ТВУС и ПВУС пренебрегается эффектами молекулярного переноса вдоль основного (маршевого) направления потока, т.е. членами порядка 0(Rej, эти уравнения могут быть решены существенно более эффективными методами, чем уравнения Навье-Стокса.
Цель_шбрты состояла в создании эффективного и высокоэкономичного по затратам времени и памяти ЭВМ численного метода решения системы уравнений полного вязкого ударного слоя, пригодного в широком диапазоне изменения чисел Маха и Рейнольдса, в том числе и при наличии ламинарных, переходных и турбулентных режимов течения в ударном слое; в разработке эффективного численного метода решения задач обтекания затупленного тела вращения неравномерным сверхзвуковым потоком типа следа при наличии вдува с его поверхности; в проверке работоспособности модели тонкого вязкого ударного слоя в.случае неравномерного набегающего потока; в получении асимптотического решения уравнений тонкого вязкого ударного слоя в случае умеренно малых чисел Рейнольдса и асимптотического решения уравнений Эйлера при наличии сильного вдува газа с поверхности при неравномерном набегающем потоке; в разработке метода определения экспериментальных констант в задаче сверхзвукового обтекания горящих моделей. Научная новизна состоит: - в постановке и решении задачи тепломассообмена в рамках модели полного вязкого ударного слоя при_ наличии в ударном слое" ламинарного, переходного и турбулентного режимов течения;
в разработке эффективного метода решения системы уравнений турбулентного вязкого ударного слоя при неравномерном набегающем потоке типа следа и вдуве газа с поверхности;
в проверке работоспособности модели тонкого (гиперзвукового) вязкого ударного слоя в случае неравномерного набегающего потока путем сопоставления с решениями уравнений ПВУС;
в получении асимптотического решения уравнений тонкого вязкого ударного слоя в случае умеренно малых чисел Рейнольдса при неравномерном набегающем потоке;
в асимптотическом исследовании ударного слоя в рамках двухслойной невязкой модели и использовании этой теории для определения экспериментальных констант при сверхзвуковом обтекании горящих тел;
в изучении влияния различных законов и интенсивностей вдува на характеристики тепломассообмена при ламинарном и турбулентном режимах течения;
в использовании алгебраической модели турбулентности Болдуина и Ломакса к расчету течения около затупленных по сфере конусов при наличии и отсутствии вдува с поверхности.
Практическая ценность работы заключается в том, что полученные результаты могут быть использованы при оценке влияния вдува на аэродинамические характеристики и тепловые потоки при проектировании сверх- и гиперзвуковых летательных аппаратов, при анализе данных лабораторного эксперимента. Развитый комплекс программ и методик расчета позволяет определить тепловые и аэродинамические характеристики тел вращения в широком диапазоне чисел Маха и Рейнольдса, практически вдоль всей траектории входа тела в атмосферу Земли. Разработанные методики, программы и-результаты исследований могут использоваться в Институте Механики МГУ, ИДТИ, ИПМ им.М.В.Келдыша АН СССР, ЦЩИМаш, Томск, гос. ун-те, ИПТМ.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и получили положительную оценку на VI Всесоюзном совещании-семинаре по механике реагирующих сред (Томск, 1966), на W Всесоюзном совещании "Современные проблемы аэродинамики" (Жданов, 1987), на S3 1-гаринских научных чтениях по космонавтике и авиации (Москва, 1986), на семинаре Института Механики МГУ по физико-химической газодинамике под руководством профессора Г.А.Тирского.
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 13 работ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех- глав, заключения, списка литературы и содержит 149 страниц машинописного текста, 70 рисунков, 2 таблицы и список литературы из 179 наименований. Общий объем работы 218 страниц.