Введение к работе
В диссертационной работе отработана методика и составлен комплекс программ для численного анализа нестационарных двухмерных уравнений Навье-Стокса применительно к сверхзвуковым задачам внутренней аэродинамики. С их помощью исследованы структура поля ламинарного течения совершенного газа и аэродинамические характеристики простейшего гиперзвукового воздухозаборника на расчетном и нерасчетном режимах работы. Изучены также особенности течения в плоских и осесимметричных каналах с переменной площадью поперечного сечения; при этом рассматривалось как течение совершенного газа, так и течение химически неравновесной газовой смеси.
Актуальность проблемы. В прикладных задачах внутренней аэродинамики часто приходится иметь дело со сверхзвуковыми течениями газа в каналах переменного сечения, проточные части которых имеют достаточно сложную конфигурацию. В результате в поле течения реализуется сложная структура с наличием взаимодействующих скачков уплотнения и зон отрывного течения; типичным примером являются сверх- и гиперзвуковые воздухозаборники. Вследствие этого для изучения течений подобного рода до недавнего времени применялись в основном экспериментальные методы.
В последние годы в связи с развитием вычислительной техники в практику исследования структуры поля течения и аэродинамических характеристик сверхзвуковых каналов широко внедряются методы вычислительной аэродинамики.
В связи с разработкой ГПВРД в последнее время особое внимание привлекает проблема сверхзвукового течения в каналах переменного сечения. Она включает в себя широкий круг научно-прикладных задач: течения газа в сверх- и гиперзвуковых воздухозаборниках и в тракте ГПВРД со сложной системой псевдоскачков; сверхзвуковые течения газа в каналах переменного сечения при наличии химических реакций и т. п.. Все эти задачи являются актуальными как с научной, так и с прикладной точек зрения.
В практических условиях сверхзвуковое движение газа в происходит, как правило, при больших числах Рейнольдса, при которых ламинарное течение быстро теряет устойчивость и переходит в турбулентную форму движения. Тем не менее исследования ламинарного течения в каналах представляет большой интерес с научной точки зрения, поскольку позволяет глубоко понять все особенности структуры поля течения и поведение аэродинамических характеристик, а также влияние на них определяющих параметров задачи. С прикладной точки зрения эти исследования важны для понимания особенностей работы ГПВРД при полете на больших высотах.
Цель работы состоит в следующем:
- адаптация комплекса программ, разработанного для решения задач внешней аэродинамики, для моделированию сверхзвуковых течений газовых смесей в плоских и осесимметричных каналах пере-
менного сечения, включая разработку методики построения расчетной сетки и сгущения ее узлов;
исследование структуры поля течения и аэродинамических характеристик простейшего воздухозаборника на расчетном режиме (М„ = 5,3) в зависимости от определяющих параметров задачи (числа Рей-нольдса, высоты горла);
исследование структуры поля течения и аэродинамических характеристик простейшего воздухозаборника на нерасчетных режимах работы (И» = 5,25н-10) при фиксированных значениях числа Рейнольдса и высоты горла;
численный анализ сверхзвуковых течений совершенного газа в плоских и осесимметричных каналах переменного сечения;
исследование влияния эффектов реального газа при сверхзвуковом течении реагирующей смеси газов в плоских каналах.
Научная новизна:
отработана методика численного анализа нестационарных двухмерных уравнений Навье-Стокса и Эйлера применительно к решению задач внутренней аэродинамики;
исследована структура поля течения и влияние на нее определяющих параметров задачи в случае сверхзвукового потока в каналах;
изучены закономерности развития замкнутых отрывных зон в зависимости от числа Рейнольдса при сверхзвуковом течении газа в различных задач внутренней аэродинамики: гиперзвуковые воздухозаборники, плоские и осесимметричные каналы;
Практическая ценность:
создан эффективный инструмент для моделирования различных плоских и осесимметричных прикладных задач внутренней аэродинамики;
созданный программный комплекс может быть использован при разработке и доводке различных технических газодинамических устройств (воздухозаборников, каналов, сопел и т.п.);
На защиту выносятся:
комплекс программ по реализации численного анализа нестационарных двухмерных уравнений Навье-Стокса и Эйлера применительно к решению задач внутренней аэродинамики;
результаты расчетов поля течения и аэродинамических характеристик простейшего гиперзвукового воздухозаборника на расчетном режиме в широком диапазоне изменения определяющих параметров;
результаты расчетов поля течения и аэродинамических характеристик простейшего гиперзвукового на нерасчетных режимах работы в большом диапазоне чисел Маха;
материалы численного анализа сверхзвуковых течений совершенного газа в плоских и осесимметричных каналах относительно простой конфигурации в некотором диапазоне изменения определяющих параметров задачи;
результаты исследования влияния эффектов реального газа при сверхзвуковом течении реагирующей смеси газов (неравновесный воздух, водородо-воздушная смесь) в плоских каналах.
Апробация работы: результаты исследований докладывались на
- научно-технической конференции МФТИ в 1995, 1996, 1997 гг.;
-международной конференции по численным методам газовой ди
намики в Монтерее, США в 1996г.
международной конференции по численным методам механики сплошных сред в Новосибирске, 1996г.
международной конференции Американского Института Аэронавтики и Астронавтики, Сноумасс, 1997г.
- 2-м международном аэрокосмическом конгрессе, Москва, 1997г.
Публикации: материалы, вошедшие в диссертационную работу,
послужили основой 14 публикаций в академических журналах, "Ученых записках ЦАГИ" и трудах конференций.
Объем работы." диссертация состоит из введения, трех глав со списками литературы, выводов общим объемом 230 листов.