Введение к работе
Актуальность темы
Необходимость расчета сжимаемого течения в пограничном слое при обтекании гладких затупленных тел и поперечно расположенных преград возникает во многих прикладных задачах: в аэрокосмической технике, в теплообменных аппаратах, в струйных технологиях и др. Для этого класса погранслойных течений, как показали еще исследования Блазиуса (1908 г.), выполненные для несжимаемой жидкости, особенно эффективным оказывается метод рядов (разложение искомых функций в ряда осуществляется по продольной погранслой-ной координате х). Достаточно, например, всего нескольких (трех-пяти) членов, чтобы с высокой точностью рассчитать течение на лобовой поверхности гладкого затупленного тела. Позже Хоуарту (1935 г.) удалось существенно усовершенствовать метод Блазиуса благодаря переходу в рядах к универсальным коэффициентам, которые, являясь функциями поперечной координаты у, не зависят от величин, определяющих особенности обтекания конкретного тела. Идея возможного обобщения данного метода на сжимаемые течения была высказана Ван-Дайком (1962 г.). однако она так и не была реализована. По-видимому, это было связано с бумом в области конечно-разностных методов расчета погранслойных течений, который начался в начале 60-х годов. Обобщение метода рядов Блазиуса-Хоуарта на сжимаемые течения представляет, с одной стороны, общетеоретический интерес, а с другой - может привести к эффективной процедуре расчета важного класса погранслойных течений, встречающихся в приложениях. Это делает тему диссертационного исследования актуальной. Развиваемый подход является в определенной мере возможной альтернативой получившим в последнее время широкое распространение прямым конечно-разностным методам расчета течений в пограничном слое.
Цель работы
- теоретическое обобщение метода универсальных рядов Блази-уса-Хоуарта, развитого для несжимаемых течений в пограничном слое, на сжимаемые течения. При этом так же, как и в работах основоположников метода, используются обычные погранслойные координаты {х, у), а не переменные Лиза-Дородницына. Последние которые типичны при рассмотрении сжимаемых течений, но неудобны для построения полей параметров газа в физическом пространстве;
исследование на примере задачи сверхзвукового обтекания сферы возможностей развиваемого подхода, а также изучение структуры и свойств течений в пограничном слое чистого и слабозапы-ленного газа на горячей и очень горячей гладкой поверхности с критической точкой. Последняя задача представляет интерес для тешюоСменных устройств и технологических, процессов нанесения покрытий.
Научная новизна
-
Теоретически развит альтернативный прямым конечно-раз-ыостным методам подход к решению уравнений сжимаемого пограничного слоя, который является обобщением метода универсальных рядов Блазиуса-Хоуарта. С единых позиций рассмотрены следующие тиші течений: двумерное осесимметричное, плоское симметричное и несимметричное, трехмерное осесимметричное (когда параметры зависят только от двух переменных, но все три составляющие вектора скорости отличны от нуля).
-
Численно найдены универсальные коэффициенты - функции, позволяющие определить первые три члена в рядах для двумерных течений в широком диапазоне изменения температурного фактора ( 0,1 ^ 2^/2^ < 9,0; Tw и Т0 - температура поверхности и адиабатически заторможенного газа на критической линиии тока }. Исследованы поля течений в пограничном слое на примере сверхзвукового обтекания вращающейся и невращающейся- сферы. Обнаружено аномальное торможение газа вдоль критической линии тока и установлен шражешшй струйный характер течения на очень горячей поверхности. Изучена устойчивость такого течения в линейном приближении.
-
Численно исследована структура течения мелкодисперсной примеси вблизи критической точки, и обнаружено явление стратификации полидисперсной примеси в существенно неизотермическом иск граничном слое на горячей поверхности.
Практическая значимость
1. Создан и реализован на ЭВМ эффективный метод расчета плоских и осесимметричных сжимаемых течений в пограничном слое на гладких затупленных телах, который позволяет находить поля параметров в физическом пространстве, а также трение и теплообмен на поверхности. На примере сверхзвукового обтекания сферы показано, что всего трех членов в рядах достаточно, чтобы с очень высокой точностью получить решение уравнений сжимаемого
ограничного слоя при 0 < х/а < 1 (а - радиус сферы). Это, в астности, означает возможность с помощью всего лишь трехчленных изложений искомых функций по продольной координате рассчитать 'ечение на всем ламинарном участке пограничного слоя при числе 'ейнольдса большем критического, когда течение около сферы в це-юм становится турбулентным.
2. Обнаруженные достаточно общие свойства и закономерности 'вчений чистого и запыленного газа в неизотермическом погранич-гом слое могут быть полезны для разработки тепломассообменных гапаратов и технологических процессов.
Автор защищает:
-
Теоретическое обобщение метода рядов Блазиуса-Хоуарта на сжимаемые течения в пограничном слое.
-
Результаты численного расчета универсальных коэффициен-гсв-функций для первых трех членов рядов.
-
Результаты численного исследования структуры течения в юграничном слое чистого и слабозашленного газа на горячей поверхности.
Аппробация работы
Отдельные фрагменты работы докладывались на научном семина-эе лаборатории газодинамики ФТИ им. Иоффе под руководством Ю.П. 'оловачева (1988 г.), на научном семинаре кафедры гидроаэродина-лики СПбГТУ СЛПИ) под руководством проф. Ю.П. Лапина (1991 г.), *а школе молодых ученых в ИТІМ СОРДН в Новосибирске (1989 г.), їа XV Всесоюзном семинаре по газовым струям в ЛМИ (1990 г.), на IX совещении-семинаре молодых ученых СНГ по механике реагирующих зред в Томске (1992 г.), на II Минском международном форуме по тепломассообмену (1992 г.).
Работа в целом докладывалась на научных семинарах кафедры гадроаэромеханики СПбГУ под руководством проф. В.Г.Дулова (1994 г.) и кафедры гидроаэродинамики СПбГТУ под руководством проф. О.В.Лашша (1995 г.).
Публикации
Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в пяти научных трудах.
Структура и объем работы
диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и нриложения; содержит 295 стр., в том числе основной текст - 127
- б -
стр., 50 рисунков - 49 стр., список литературы из 104 наименований - 10 стр., приложение - 109 стр.