Управление высокоскоростными потоками газа с помощью плазменных образований и электромагнитных полей Коротаева, Татьяна Александровна

Введение к работе

Актуальность темы. Актуальность темы исследования обусловлена развитием авиационной техники и необходимостью поиска новых эффективных методов управления течениями.

Увеличение скорости и высоты полета летательных аппаратов, а также разработка нетрадиционных способов управления сверхзвуковым течением расширяют область интересов классической аэродинамики до физической аэродинамики частично ионизованных газовых потоков. К традиционным способам воздействия на аэродинамические характеристики летательного аппарата можно отнести изменение его формы, угла атаки и числа Маха набегающего потока. Однако дальнейший прогресс идет все медленнее и требует все больших усилий и затрат.

Общепринятые газодинамические методы не позволяют решить все насущные проблемы, связанные с высокоскоростным полетом тел в атмосфере. Для этого требуется задействовать дополнительные механизмы воздействия на поле течения, влияющие на термодинамические и химические свойства среды, такие как искусственно созданные области слабо ионизованной плазмы. Независимо от способа создания плазмы, эти области воздействует на режимы пространственного обтекания тела, формируя сложную систему волн сжатия и разрежения, вплоть до кардинальной перестройки течения, что в свою очередь влечет за собой существенное перераспределение аэродинамических сил и моментов, действующих на тело.

К настоящему времени, в ряде теоретических и экспериментальных работ продемонстрирована возможность существенного уменьшения сопротивления путем энергоподвода в набегающий поток в некоторой области перед телом.

Анализ работ по изучению различных физических методов воздействия на газовый поток (разряды различных типов, плазменные потоки, электронные пучки и т.п.), опубликованных в течение последних двух десятилетий, позволяют назвать основные направления исследований в этой области:

Глобальная модификация набегающего потока для улучшения аэродинамических характеристик летательных аппаратов;

Изменение конфигурации и/ или интенсивности ударных волн, образующихся вблизи поверхности летящего со сверхзвуковой скоростью тела;

Локальное изменение потока вблизи отдельных частей летательного аппарата с целью изменения режима обтекания;

Электромагнитное воздействие на газовый поток в двигательных системах летательных аппаратов с целью управления газовым потоком, инициализации и поддержания наиболее эффективных

режимов горения, увеличения общей эффективности двигательных установок;

Данная работы является актуальной, так как затрагивает все вышеперечисленные направления исследований в области управления потоком с помощью источников нагрева, организации взаимодействия высокоскоростных потоков воздуха со слабоионизованной плазмой, электромагнитными полями.

Цель работы и задачи исследования. Основными целями является:

1. 1. Разработать инструмент для численного решения вышеперечисленных задач в трехмерной постановке и применения активно разрабатываемых расчетных моделей физической механики для моделирования взаимодействия высокоскоростных газовых потоков с плазменными образованиями во внешних электрических, магнитных и электромагнитных полях

   2. Расширить имеющиеся представления о происходящих в потоке газа явлениях для случая, когда сверхзвуковые течения имеют пространственный характер, при наличии стационарного и нестационарного подвода энергии и/или массы, предварительно ионизованного газа при наличии внешнего электрического и магнитного полей;

   3. Оценить возможность использования локальных источников энерговыделения для управления потоком и изменения аэродинамических характеристик летательных аппаратов.

   В работе рассматривается:

   Организация тонких противопоточных струй при сверх- и гиперзвуковом обтекании затупленного тела для снижения сопротивления,

   Истечение произвольно-ориентированных струй для воздействия на все суммарные аэродинамические характеристики усеченного конус-цилиндра;

   Влияние подвода энергии на суммарные аэродинамические характеристики хорошо обтекаемого тела оживальной формы;

   Воздействие энергоподвода на поток перед воздухозаборником гипотетического гиперзвукового аппарата;

   Подвод тепловой энергии в поток при обтекании модели конус-цилиндр при наличии вблизи поверхности локального источника энергии и плоской стенки;

   Организация области МГД-взаимодействия для изменения угла наклона головной ударной волны, генерируемой клином;

   Задачей работы является также исследование механизмов взаимодействия высокоскоростного потока с плазменными образованиями и особенностей реализующихся режимов течения.

   Научная новизна.

   S Создан инструмент для численного решения пространственных задач аэродинамики с применением активно разрабатываемых расчетных моделей физической механики взаимодействия газовых потоков с плазменными образованиями во внешних электрических, магнитных и электромагнитных полях.

   S Применение модифицированного метода конечных объемов для моделирования истечения плазменной противопоточной струи в широком диапазоне параметров, определяющих задачу, позволило провести численные исследования и детально описать структуры режимов. Показано, что в сверхзвуковом потоке при числах Маха 2^6 существуют два стабильных режима истечения плазменной струи: короткого проникновения (SPM - 'short penetration mode') и длинного проникновения (LPM - 'longpenetration mode').

   S Режимы LPM численно получены впервые.

   S Впервые предложен приближенный критерий, который позволяет по известным параметрам потока и тонкой противоточной струи оценить диапазон существования режима длинного проникновения струи.

   S Учет физико-химических процессов показал, что проникающая способность противопоточной химически активной струи выше аналогичной нагретой струи совершенного газа. Учет кинетики в условиях гиперзвукового обтекания затупленного тела с противопоточной струей позволил получить типичный режим LPM, полностью согласующийся с экспериментальными данными, как по структуре течения, так и по длине проникновения.

   S Впервые определено влияние произвольно ориентированной плазменной струи на суммарные и локальные аэродинамические характеристики обтекаемого тела.

   S Исследованы газодинамические особенности, формирующиеся в сверхзвуковом потоке при различных режимах ввода энергии в поток.

   Показано, что применяемый в модели точечного взрыва с учетом

   1/2

   противодавления критерий подобия n=(N/P^) можно также использовать и для энергоисточника конечных размеров.

   S В отличие от ранее проведенных исследований проведено исследование газодинамической структуры сверхзвукового течения и обтекания тел в зависимости от низкоскоростных (тепловых) механизмов лазерного энерговыделения.

   S Представлены результаты численного моделирования задач, интересных с точки зрения применения энергоподвода для модификации сверх- или гиперзвукового потока в трехмерной постановке, рассмотрено:

   - Влияние подвода энергии на суммарные аэродинамические характеристики;

   - Воздействие энергоподвода на поток перед воздухозаборником; Численное моделирование указанных задач в трехмерной постановке проведено впервые (1997-1998гг.).

   S Впервые проведены расчеты пространственного внешнего гиперзвукового МГД -течения.

   Достоверность результатов. Степень достоверности полученных результатов высока по следующим причинам:

   Используемая в работе разновидность метода конечных объемов верифицирована по данным экспериментов и результатам, полученными другими авторами, занимающимися численным моделированием.

   Основная часть работы, представленной в диссертации, проводилась в тесном взаимодействии, зачастую параллельно, с экспериментальными исследованиями, проводимыми на установках ИТПМ. Качественное и количественное согласование данных подтверждает их достоверность.

   Важным свидетельством достоверности полученных в диссертации результатов является их весьма серьёзная апробация на большом количестве национальных и международных семинаров, симпозиумов и конференций, а также обсуждение этих результатов со специалистами в данной области.

   Практическая значимость работы. Разработка высокоскоростных ЛА нового поколения и совершенствование существующих управляемых и неуправляемых ЛА связано с комплексным решением ряда научно- технических проблем принципиального характера. Известные результаты проработок по созданию транспортных систем в России и за рубежом, а также опыт создания и эксплуатации космических аппаратов многоразового использования показывает, что многие проблемы и, зачастую, противоречивые требования могут быть разрешены только с использованием нетрадиционных и новых технологий.

   Рассматриваемые в диссертации методы управления сверх- и гиперзвуковыми потоками в рамках магнитоплазменных технологий определяют одно из перспективных направлений эволюционного развития традиционной аэродинамики.

   Результаты, изложенные в диссертационной работе, представляют не только академический, но и практический интерес при формировании облика летательных аппаратов следующего поколения и могут представлять интерес для специалистов отраслевых институтов и специализированных конструкторских организаций

   На защиту выносятся:

   - Модификация центрально - разностной расчетной схемы решения трехмерных уравнений Эйлера по методу конечных объемов;

   алгоритм построения математической модели поверхности летательного аппарата с помощью локального рационального сплайна, степень которого определяется автоматически, в зависимости от градиента поверхности, обладающий свойством изогеометричности;

   алгоритм построения двумерных структурных сеток по алгебраическому методу с помощью локальных рациональных сплайнов для областей в которых внутренняя граница, принадлежащая поверхности летательного аппарата имеет сложную форму, внешняя описывается кривой, порядок которой не выше второго;

   результаты применения модифицированного метода конечных объемов для моделирования истечения плазменной противопоточной струи в широком диапазоне параметров, определяющих задачу;

   приближенный критерий, который позволяет по известным параметрам потока и тонкой противоточной струи оценить диапазон существования режима длинного проникновения струи, не проводя громоздких вычислений;

   результаты численного исследования газодинамических особенностей, формирующихся в сверхзвуковом потоке при различных режимах ввода энергии в поток;

   результаты численного моделирования пространственного обтекания тела оживальной формы и влияния подвода энергии на суммарные аэродинамические характеристики (сопротивление, подъемную силу, момент тангажа);

   результаты численного моделирования воздействия энергоподвода на поток перед воздухозаборником в трехмерной постановке;

   результаты численного исследования обтекания модели конус-цилиндр при наличии вблизи его поверхности локального источника энергии и плоской стенки;

   результаты моделирования пространственного гиперзвукового МГД - течения на примере расчета обтекания клина конечной ширины в условиях внешней ионизации электронным пучком.

   Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на семинарах ИТПМ СО РАН, докладывались более чем на 40 Международных и Российских конференциях и школах - семинарах:

   1. 5. Международная конференция «Математические модели и численные методы механики сплошных сред», Новосибирск, 1996;

      6. Международная конференция по методам аэрофизических исследований (ICMAR). Новосибирск, 1996, 1998, 2000, 2002, 2004, 2008, 2010, 2012.

      7. Международная конференция «Сопряженные задачи механики и экологии», Томск, 1996, 1998.

      8. KORUS' 99, Новосибирск, 1999.

      9. 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno, Nevada, 1999.

      10. International conference Perspectives of MHD and plasma technologies in aerospace application, IVTAN, 1999, 2000.

      11. Международная конференция RDAMM-2001

      12. Advanced Studies in Mechanical Engineering, Yeungnam University, Korea, 2002

      13. 7th Sino-Russian Hypersonic Conference, Novosibirsk, 2008.

      14. 5th International Workshop on Magneto-Plasma Aerodynamics for Aerospace Applications, Moscow, IVTAN, 2003.

      15. Международная школа-семинар «Модели и методы аэродинамики», МЦНМО, 2001, 2002, 2003, 2006, 2008, 2009, 2010, 2012.

      16. XII школа-семинар «Современные проблемы аэрогидродинамики», Сочи, «Буревестник» МГУ, 5-15 сентября 2004.

      17. Международная научно-техническая конференция «Фундаментальные проблемы высокоскоростных течений», ЦАГИ, 21-24 сентября, 2004.

      18. 15th International Conference on MHD energy conversion and 6th International Workshop on MPA, 2005.

      19. Symposium on Numerical and Experimental Modeling of Microprocesses and Its Application in Continuum Mechanics, National Cheng Kung University, Taiwan, 2006.

      20. Международная школа по моделям механики сплошной среды. Саратов, 2007.

      21. 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno, Nevada, 2007

      22. 6th Workshop Thermochemical Processes in Plasma Aerodynamics, Saint- Petersburg, 2008.

      23. 5th AIAA Theoretical Fluid Mechanics Conference, Seattle, 2008.

      24. 47th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Orlando, Florida, 2009.

      25. 8th International Workshop on MPA, 2009.

      26. 17th International Conference on MHD energy conversion, Shonan Village Center, Kanagawa, Japan, 2009.

      27. 9th International Shock Interaction Symposium, Moscow, Russia, 2010.

      28. 10th International Workshop on MPA, 2011.

      29. Всероссийская конференция «Аэродинамика и прочность конструкций летательных аппаратов», посвящённая 70-летию основания СибНИА, Новосибирск, 2011.

      30. The 8 SRHFC, Shanghai China, 2011

      31. 10th International Workshop on Magneto-Plasma Aerodynamics, Moscow, 2011.

      Публикации. По результатам диссертации опубликовано более 80 печатных работ в журналах, препринтах и трудах международных конференций, в том числе 15 работ из списка ВАК. Часть результатов исследований представлена в отчетах.

      Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, и заключения, содержит 325 страниц текста с 147 рисунками. Список литературы содержит 291 наименование. Основные, наиболее значимые работы по теме диссертации приведены в конце реферата.

      Похожие диссертации на Управление высокоскоростными потоками газа с помощью плазменных образований и электромагнитных полей

      Исследование адсорбционных процессов в пористой среде при воздействии высокочастотным электромагнитным полемКамалтдинов, Ильнур Маккиевич

      Изучение формы поверхности тяжелой магнитной жидкости, ограниченной пластинами, в неоднородных магнитных поляхВолкова, Татьяна Игоревна

      Электрический разряд, движущийся в собственном магнитном поле, в импульсном плазменном генератореГабдрахманов, Азат Талгатович

      

      Исследование влияния свч поля на одиночную каплю в водонефтяной эмульсии в поле сил тяжестиФатхуллина Юлия Ильдаровна

      

      Изучение деформаций поверхности магнитной жидкости в магнитном поле, вызывающих направленное движениеПелевина Дарья Андреевна

      Моделирование ламинарно-турбулентного перехода при повышенной степени турбулентности набегающего потока и управление развитием возмущенийГрек, Генрих Рувимович

      

      Управление отрывом потока в диффузорных каналах. Экспериментальное исследование Ледовская Наталия Николаевна

      

      Управление сверхзвуковым обтеканием тел при помощи локализованного подвода энергии в набегающий поток Георгиевский Павел Юрьевич

      

      Вопросы локального моделирования термохимического взаимодействия высокоэнтальпийных потоков газов с поверхностьюКолесников Анатолий Федорович

      

      Исследование структуры турбулентных гетерогенных потоков "газ - твердые частицы"Вараксин Алексей Юрьевич