Введение к работе
Актуальность темы. Диссертация посвящена исследованию методом прямого статистического моделирования (ПСМ) двух струйных задач динамики разреженного газа - задачи о нестационарном истечении газа в вакуум от импульсного источника на плоской стенке и задачи о взаимодействии сверхзвуковой сильно недорасширенной струи с встречным гиперзвуковым потоком в переходном режиме.
Большой интерес к изучению течения от импульсного источника связан с рядом важных приложений в области абляции твердых материалов под действием лазерного излучения. Среди научных и технических применений процесса лазерной абляции (ЛА) можно выделить: технологии нанесения специальных покрытий и получения тонких пленок с особыми свойствами; использование ЛА в химическом анализе; процессы ЛА, сопровождающие воздействие излучения боевых лазеров на поражаемые цели; процессы ЛА, относящиеся к различным технологиям обработки материалов в вакууме. Во всех перечисленных приложениях газодинамика лазерной абляции имеет существенное, а часто и определяющее значение для достижения конечного результата. Знание общей картины течения и газодинамических параметров потока обычно необходимо при проектировании соответствующих технологических процессов, выборе их параметров и оптимизации характеристик.
Вторая рассматриваемая в диссертации задача о взаимодействии сверхзвуковой сильно недорасширенной струи с встречным гиперзвуковым потоком в переходном режиме имеет прямое отношение к проблеме газодинамики струй тормозных и управляющих двигателей космических аппаратов, маневрирующих на больших высотах. В последние годы интерес исследователей к этим задачам возобновился в связи с разработкой ряда перспективных многоразовых ракетно-космических систем (МРКС), среди которых можно указать, например, многоразовую космическую транспортную систему Space Shuttle, включающую межорбитальный буксир для вывода грузов на высокие орбиты. Этап полета на высотах порядка 100 км в подобных проектах определяет процессы торможения и маневрирования и во многом влияет на облик аппаратов и их характеристики.
В работе изучаются разреженные течения в переходном режиме, в которых характерные числа Кнудсена, определяемые как отношение средней длины свободного пробега молекул к характерным масштабам тече-
ния, имеют значения большие 10~3 — Ю-2. Использование для расчета таких течений уравнений Навье-Стокса, основанных на континуальном подходе, приводит к физически неправильным результатам. Основным инструментом моделирования течений в переходном режиме служит в настоящее время метод ПСМ. Расчет течений разреженного газа, в особенности нестационарных, с помощью метода ПСМ является трудоемкой задачей с вычислительной точки зрения. Высокие требования предъявляемые методом к быстродействию ЭВМ обуславливают актуальность разработки высокоэффективных алгоритмов расчета, в том числе для компьютеров с параллельной архитектурой.
Основные дели настоящей работы заключались:
1. В разработке программы прямого статистического моделирования
плоских и осесимметричных задач истечения разреженного газа в ва
куум или окружающую среду и параллельного алгоритма метода ПСМ
для расчета нестационарных течений на суперкомпьютерах.
-
В проведении с помощью разработанного алгоритма и программы численных исследований осесимметричного нестационарного истечения одноатомного газа в вакуум от импульсного источника на плоской стенке (как приближенной модели ЛА) в диапазоне определяющих параметров, охватывающем переходный и свободномолекулярный режимы, и получении полной и систематической количественной информации о газодинамической структуре и параметрах течения, выявлении основных закономерностей пространственно-временной эволюции течения, теоретическом обобщении полученных результатов.
-
В численном решении задачи о взаимодействии сверхзвуковой сильно недорасширенной струи с встречным гиперзвуковым разреженным потоком и получении полных и систематических данных о структуре и параметрах течения в диапазоне определяющих параметров, соответствующем переходному режиму, анализе влияния степени разреженности на картину течения, теоретическом обобщении полученных результатов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Разработан и реализован алгоритм прямых статистически независимых испытаний (ПСНЙ) для высокоэффективного расчета нестационарных течений разреженного газа методом прямого статистического моделирования. Даны рекомендации по его применению на суперкомпьютерах с параллельной архитектурой.
-
Впервые в двумерной (осесимметричной) постановке выполнено полное и систематическое исследование газодинамики нестационарного ис-
течения одноатомного газа в вакуум от импульсного источника на плоской стенке в переходном и свободномолекулярном режимах и получены данные о газодинамической структуре и параметрах течения, выявлены основные закономерности пространственно-временной эволюции течения, выполнено теоретическое обобщение совокупности полученных результатов.
3. Впервые методом ПСМ проведено численное моделирование течения, возникающего при взаимодействии сверхзвуковой сильно недорасширен-ной струи с набегающим гиперзвуковым потоком в переходном режиме, получены полные и систематические данные о газодинамической структуре течения, выполнен анализ влияния степени разреженности на характер изменения газодинамических параметров, степень неравновесности течения, вид функций распределения по скоростям в области ударных слоев.
Достоверность полученных результатов подтверждается внутренними тестами, проведенным статистическим анализом точности результатов моделирования, сравнениями с аналитическими решениями и данными других авторов.
Практическая ценность. Разработанный алгоритм ПСНИ может быть использован для высокоэффективного расчета нестационарных течений разреженного газа на компьютерах с параллельной архитектурой. Результаты работы могут быть использованы при разработке технологических процессов в задачах, связанных с процессами абляции в вакуум твердых материалов короткими импульсами лазерного излучения умеренной интенсивности; при проектировании аэрокосмических аппаратов, использующих тормозные и управляющие ракетные двигатели при движении на больших высотах в разреженной среде.
Результаты исследования взаимодействия сверхзвуковой сильно недо-расширенной струи с встречным гиперзвуковым потоком в переходном режиме, включены в отчет по программе "Орел-1-НЦ", входящей в Федеральную космическую программу, в рамках НИР "Исследование и разработка рекомендаций по учету эффектов взаимодействия струй МРКС с внешним потоком и элементами конструкции системы". Алгоритм ПСНИ был использован при выполнении работ по гранту РФФИ N 97-01-00235 "Математическое моделирование аномально большой дальнобойности горящего газа и электроразрядной плазмы" (рук. Лукьянов Г.А.).
На защиту выносятся следующие разработки и результаты : 1. Параллельный алгоритм прямых статистически независимых испыта-
ний для ПСМ нестационарных течений разреженного газа на суперкомпьютерах.
-
Результаты численного моделирования,анализа и теоретического обобщения для задачи о нестационарном осесимметричном истечении в вакуум одноатомного газа (как приближенной модели ЛА) в переходном и свободномолекулярном режимах.
-
Результаты численного моделирования,анализа и теоретического обобщения для задачи о взаимодействии сильно недорасширеннои сверхзвуковой струи с встречным гиперзвуковым потоком в переходном режиме.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на:
XXIII молодежной конференции " Гагаринские чтения", Москва, Россия, 8-12 апреля 1997 года,
XVII Всероссийском семинаре по течениям газа и плазмы в соплах, струях и следах, Санкт-Петербург, Россия, 18-20 июня 1997 года,
363 международном коллоквиуме Евромеха "Механика лазерной абляции", Новосибирск, Россия, 23-26 июня 1997 года,
XXI международном симпозиуме по динамике разреженного газа, Марсель, Франция,26-31 июля 1998,
международной конференции по высокопроизводительным вычислениям и сетям, Амстердам, Голландия, 21-23 апреля 1998 года,
II международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях, Санкт-Петербург, Россия, 22-26 июня 1998 года,
XII международном симпозиуме по газовым и химическим лазерам, Санкт-Петербург, Россия, 31 августа - 5 сентября 1998 года,
а также на семинарах БГТУ и ЙВВБД.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, трех глав, списка цитируемой литературы из 113 наименований. Полный объем диссертации - 143 стр.