Введение к работе
Актуальность темы.
Исследование закономерностей силового и теплового взаимодействия двухфазных потоков с твердыми поверхностями актуальны в связи с широким кругом гфиродных явлений и проблем, возникающих в технических приложениях. Это преяие всего проблемы тепловой и эрозионной защиты различных летательных аппаратов при движении в запыленной атмосфере , проблемы обтекания стенок и центральных тел в соплах двигателей. Во многом аналогичные проблемы возникают при оптимизации работы теплоэнергетических установок и химико-технологических аппаратов с двухфазным рабочим телом (теплообменников, камер сгорания, сушильных аппаратов и пр.), а также при разработке технологий нанесения покрытий с использованием газодисперсных потоков.
В большинстве перечисленных приложений двухфазные потоки представляют собой смесь газа с частицами (твердыми или жидкими), объемная концентрация которых мала, однако (из-за различия на несколько порядков плотностей фаз) проявляются эффекты инерционности частиц, а их массовая концентрация может достигать конечных значений. Наличие дисперсной примеси нередко приводит к значительному изменению как локальных (например, местных коэффициентов трения и теплообмена), так и глобальных (положение ударных волн, структура отрывных зон) характеристик обтекания твердых поверхностей. В силу многообразия пристеночных течений азродисперсных потоков и сложности их экспериментального исследования основным инструментом является математическое моделирование указанных течений.
Для описания сред типа газ-инерционные частицы общепринятой в
настоящее время является модель, основанная на представлении о взаимопроникающих и взаимодействующих континуумах, каждый из которых относится к определенной фазе вещества. Вблизи твердых границ структура двухфазных течений резко усложняется. Здесь становятся определяющими эффекты вязкости и теплопроводности несущей фазы. При описании межфазного обмена импульсом и энергией требуется учет "сдаиговости" потока и наличия стенки. В случае газо-калельных течений на обтекаемой поверхности возможно образование жидкой пленки. Кроме того, именно вблизи твердых границ могут возникать локальные зоны пересечения траекторий частиц, разрывы параметров и узкие зоны накопления дисперсной фазы. Указанные факторы требуют усложнения существующих моделей газодисперсных течений и разработки более детальных моделей, что делает проблему исследования пристеночных двухфазных течений актуальной и с методологической точки зрения.
Целями настоящей работы являются:
создание замкнутых математических моделей пристеночных газодисперсных течений в рамках единого подхода механики взаимопрошшаю-щих континуумов
разработка численных и асимптотических методов расчета ламинарных двухфазных пограничных слоев
прогнозирование влияния дисперсной примеси на силовые и тепло-, вые нагрузки обтекаемых смесью поверхностей .
Научная новизна результатов диссертации состоит в следующем:
- в рамках двухжкдкостной модели запыленного газа на основе мето
да сращиваемых асимптотических разложений впервые сформулированы
краевые задачи для уравнений двухфазных пограничных слоев , даны
их классификация и обобщение на случай фазовых переходов на по-
верхности частиц
предложен новый метод- расчета параметров дисперсной фазы, основанный на использовании переменных Лагранжа. и позволяющий исследовать структуру зон накопления и областей пересекающихся траекторий частиц
дана классификация особых решений, приводящих к сингулярностям концентрации дисперсной фазы, определены критерии применимости бесстолкновительной модели частиц
на основе численных и асимптотических решений уравнений двухфазного пограничного слоя показана возможность резкой (до 100%) интенсификации теплообмена при гипер- и дозвуковых скоростях обтекания затупленных тел газовзвесью даже при малых (до 52) массовых содержаниях частиц в набегающем потоке; показана возможность эффективного управления парметрами пограничного слоя с помощью двухфазного вдува
для ряда стационарных течений на продольно обтекаемых плоских поверхностях исследованы структура пограничного слоя, процессы релаксации коэффициентов трения и теплообмена к равновесным значениям и изучены эффекты стратификации дисперсной фазы
получена аналитическая формула, связывающая профиль концентрации частиц на стабилизированном участке течения в канале (трубе) с профилем концентрации частиц в пограничном слое на плоской пластине
обнаружены эффекты аккумуляции частиц в пограничном слое за ударной волной, движущейся вдоль плоской поверхности
на основании расчетов подтвержден и объяснен эффект резкой интенсификации теплообмена за счет присутствия в пограничном слое примеси испаряющихся капель, найдены критерии подобия, определяющие степень увеличения коэффициента теплообмена
построена и исследована последовательная асимптотическая модель
пристеночного двухфазного течения с инерционным осаадением капель и образованием жидкой пленки на обтекаемой поверхности.
Научная и практическая значимость работы состоит в создании методологии исследования пристеночных течений газовзвесей и аэрозолей с учетом инерционностк примеси. Созданы и исследованы замкнутые математические модели ламинарных двухфазных пограничных слоев, выявлены основные критерии подобия, определяющие степень влияния частиц (капель) на трение и теплообмен в широком диапазоне определяющих параметорв. Для локализованных зон накопления и пересечения траекторий частиц созданы методы расчета, имеющие общее значение для исследования широкого класса течений газовзвесей.
Результаты диссертации могут быть использованы для оптимизации работы аппаратов с двухфазным рабочим телом, для расчетов движения тел в запыленной атмосфере, а также для разработки способов тепловой защиты с помощью ввода диспергированных частиц другой фазы в пристеночную область течения.
Результаты работы продолжают развиваться в трудах российских и зарубежных ученых, о чем свидетельствуют ссылки на труды автора. Результаты диссертации входят в спецкурс "Динамика запыленного газа", читаемый автором на механико-математическом факультете МГУ.
Апробация работы. Основные положения и результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались и получили положительную оценку на 2-ой Всесоюзной школе по механике многофазных сред (1980 г.), Всесоюзной конференции молодых ученых и специалистов по моделированию процессов гидрогазодинамики и энергетики (Новосибирск, 1984), Гагаринских научных чтениях по авиации и космонавтике (1985, 1988), УІ и УІІ Всесоюзных съездах по теоретической и прикладной механике (Ташкент, 1986; Москва, 1991), Совещании по ме-
ханике реагирующих сред (Красноярск, 1988), УІ Всесоюзном совещании по турбулентным течениям,(Таллинн, 1988), Всесоюзной конференции по стратифицированным течениям (Канев, 1991), ІУ Мевдуна-родной конференции по пограничным и внутренним слоям (Новосибирск, 1986), III Национальном симпозиуме по многофазным и неньютоновским течениям (Ханчжоу, Китай, 1990), II Международном форуме по тепломассообмену (Минск, 1992), Конгрессе САШ (Германия, Брауншвейг, 1994), ЮТАМ Симпозиуме по взаимодействию частиц с жидкостями (Франция, Гренобль, 1994).
Научные результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались на Ломоносовских чтениях МГУ, обсуждались на семинарах академика |г.и.петрова], академика Г.Г.Черного, академика Р.И.Нигматулина (Институт механики МГУ), профессора В.Б.Баранова (Институт проблем механики РАН), профессора А.Б.Ватажила (ЦИАМ), профессора Г.А.Тирского (Институт механики МГУ), профессора В.В.Полежаева (Институт высоких температур РАН), а также в научных учреждениях Китая: на семинарах факультета инженерной механики Университета Пиньхуа, института механики АН КНР (Пекин), факультета прикладной механики Фуданьского университета (Шанхай), Академии инженерной физики (Миньян).
За цикл работ "Аэродинамика и волновые процессы в газах с инерционной дисперсной примесью", составной частью которого явились результаты исследований, вошедшие в диссертацию, автору присуждена Медаль и премия АН СССР 1988 г. за лучшую работу молодого ученого.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы; содержит 270 стр., включая 33 стр. с рисунками и 23 стр. списка литературы. В работе 60 рисунков и 243 библиографических ссылок.