Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Исследование взаимодействия сверхзвуковых потоков газовзвеси с телами и преградами представляет практический интерес для решения ряда задач авиационной и ракетно-космической техники, для совершенствования некоторых технологии (например, іехнологип резки маїерпалов высокоскоростными гаюдиснерснымп поюкамп), а также различных технических устройств.
Диссертационная работа посвящена исследованию двух классов нестационарных сверхзвуковых течении газовзвеси.
Первый класс включает нестационарные течения, возникающие при попадании облака твердой дисперсной примеси в ударный слой перед затупленным іелом Актуальность данной задачи связана с тем, что в атмосфере всегда присутствуют облака дисперсных частиц (пыль, снег, град, дождь). Попадая в ударный слой, такие облака могут вызывать нестационарные течения около поверхности летательных аппаратов, изменить структуру ударного слоя, распределение параметров в пограничном слое и привести к значительному увеличению тепловых потоков на обтекаемых поверхностях.
Второй класс течений возникает при взаимодействии сверхзвуковых двухфазных струй с преградами. Такие течения широко распространены не только в ракетно-космической техники, но и во многих технологических процессах Нестацпонарность течения в этом случае может быть связана с автоколебательным характером течения в струе. Исследование влияния дисперсной примеси на автоколебательное течение газовой фазы важно как для решения ряда практических задач, так и для понимания роли различных факторов в формировании автоколебаний.
Цель работы
Основными целями диссертационного исследования являлись'
-
Выбор математической модели, разработка и верификация вычислительного кода для моделирования нестационарных сверхзвуковых течений газовзвеси на основе кинетической модели для дисперсной фазы и модели сплошной среды для несущего газа.
-
Исследование нестационарного течения, возникающего при попадании в ударный слои на затупленном теле облака твердых дисперсных частиц, оценка влияния параметров дисперсной фазы на структуру ударного слоя, вязкого пограничного слоя н тепловой поток на поверхности тела.
-
Исследование структуры течения в автоколебательном режиме взаимодействия сверхзвуковой двухфазной струи с плоской перпендикулярной
преградой; классификация режимов течения дисперсной фазы, исследование влияния дисперсной примеси на характеристики автоколебаний.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Результаты численного исследования задачи о нестационарном взаимодействии облака твердых дисперсных частиц, с ударным слоем на затупленном теле на основе кинетической модели для дисперсной фазы и модели вязкого теплопроводного совершенного газа для несущей среды параметрическое исследование влияния дисперсной фазы на структуру течения газа в ударном слое, распределение газодинамических параметров в пограничном слое и тепловой по гок на поверхности тела.
-
Результаты исследования особенностей поведения твердых дисперсных частиц в сверхзвуковой двухфазной струе, взаимодействующей с плоской перпендикулярной преградой как в стационарном, так и в автоколебательном режимах.
-
Результаты исследования влияния примеси на структуру течения и характеристики автоколебаний сверхзвуковой двухфазной струи при взаимодействии с преградой в автоколебательном режиме.
Научная новизна работы
-
Впервые выполнено параметрическое исследование задачи о попадании облака твердой дисперсной примеси в ударном слое на затупленном теле на основе комбинированной континуально-кинетической модели для газовзвеси с учетом вязкости и теплопроводности несущей среды, обратного влияния примеси на несущий газ и столкновений дисперсных частиц друг с другом. Установлено, что в зависимости от параметров дисперсной фазы могут реа-лизовываться три качественно различных режима течения газа Обнаружено, что выпадение частиц примеси на поверхность обтекаемого тела может приводить как к увеличению, так и к уменьшению теплового потока на его поверхности.
-
Впервые численно исследовано поведение дисперсной примеси в автоколебательном режиме взаимодействия сверхзвуковой струи с плоской перпендикулярной преградой. Установлены основные режимы течения дисперсной фазы
-
Впервые выполнено исследование течения в сверхзвуковой двухфазной струе, взаимодействующей с преградой в режиме автоколебаний с учетом влияния примеси на течение несущего газа н столкновений частиц друг с другом. Установлено влияние примеси на частоту и амплитуду автоколебании в зависимости от размеров частиц и их концентрации в струе. Найдены диапазоны концентраций, в которых влияние частиц на несущий газ не суще-
ственно, и в которых влияние примеси на газ приводит к полному затуханию автоколебании.
Достоверность полученных результатов
Достоверность полученных в диссертации результатов основана на
использовании математических моделей, в основе которых лежат методы теории многоскоростных взаимопроникающих континуумов п кинетической теории газовзвесей,
использовании апробированных численных методов и проведении специальных расчетов, позволивших корректно выбрать параметры численных алгоритмов,
сравнении результатов тестовых расчетов по обтеканию затупленных тел (цилиндра и сферы) однородным сверхзвуковым потоком газа с результатами, полученными другими исследователями, и достигнутом хорошем согласии с последними как is глобальном поле течения, так и в пограничном слое,
сравнении результатов численных расчетов по взаимодействию сверхзвуковой однофазной струп с перпендикулярной преградой с известными данными физических экспериментов, и полученном хорошем согласии расчетов с этими данными как в стационарном, так и в авюколебательном режимах взаимодействия.
Практическая ценность работы
-
Разработанный в диссертации комплекс вычислительных программ может быть использован для расчета различных стационарных и нестационарных сверхзвуковых течений газовзвесей в широком диапазоне определяющих параметров. Данный комплекс основан на использовании комбинированной континуально-кинетической модели газовзвеси, что расширяет диапазон его применимости но сравнению с другими подобными разработками
-
Результаты выполненных автором исследовании могут быть использованы при разработке различных технических устройств, в которых реализуются сверхзвуковые двухфазные течения, а также в целях более корректной интерпретации результатов экспериментальных исследований.
Апробация работы
Результаты исследований по теме диссертации докладывались на 11 всероссийских и международных конференциях и школах-семинарах.
III Международной школе-семинаре "Внутрикамерные процессы, горение и газовая динамика дисперсных систем" (Санкт-Петербург, 2000), XIII Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А И.Леонтьева "Физические основы экспериментального и математическо-
го моделирования процессов газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках" (Санкт-Петербург, 2001); XI Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным средствам (Москва-Истра, 2001), XVI сессии Международной школы по моделям механики сплошной среды (Казань, 2002); II Международной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов "Современные проблемы аэрокосмической науки и техники" (Жуковский, 2002), Третьей Российской национальной конференции по тепломассообмену (Москва, 2002), Международной научной конференции по механики "Третьи Поляховскпе чтения" (Санкт-Петербург, 2003), XII Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным средствам (Владимир, 2003), VI Международной конференции но неравновесным течениям в соплах и струях (Санкт-Петербург, 2006), IX Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механики (Нижний Новгород, 2006), 6-й Международной конференции по многофазным течениям ICMF 2007 (Лейпциг, Германия, 2007).
Работа целиком докладывалась на научных семинарах кафедры плазмога-зодпнамикп и теплотехники Балтийского государственного технического университета под руководством проф В.Н. Емельянова (2007) и кафедры гпд-роаэродинампкп Санкт-Петербургского государственного политехнического университета под руководством проф. Е.М. Смирнова (2008).
Публикации по теме диссертации
Основные результаты диссертационного исследования изложены в 13 научных публикациях в виде тезисов шести докладов [3, 5, 7, 8, 10, 12|, шести статей в материалах и трудах конференций |1, 2, 4, 6, 11, 131 и статьи в журнале из списка ВАК |9|. Ссылки на публикации приведены в конце автореферата
Поддержка работы
Основные результаты диссертационного исследования получены при финансовой поддержки Конкурсного центра фундаментального естествознания (гранты №№ М01-2.2Д-166, Е02-4.0-138, А03-2.10-221) и Российского фонда фундаментальных исследовании (грант № 02-01-01201).
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения п списка литературы. Работа изложена на 159 страницах, из них 121 страниц основного текста, 27 страниц рисунков и 11 страниц списка литературы из 106 наименований.
