Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Математическое моделирование оптимальной тепловой защиты при гиперзвуковых режимах течения Бильченко, Наталья Григорьевна

Данная диссертационная работа должна поступить в библиотеки в ближайшее время
Уведомить о поступлении

Диссертация, - 480 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Бильченко, Наталья Григорьевна. Математическое моделирование оптимальной тепловой защиты при гиперзвуковых режимах течения : автореферат дис. ... кандидата физико-математических наук : 05.13.16 / Казанский гос. техн. ун-т.- Казань, 1995.- 19 с.: ил. РГБ ОД, 9 96-1/1799-5

Введение к работе

Актуальность темы. Интенсивное развитие космической эхники привело к рассмотрению вопросов взаимодействия ісокотемпературньїх и высокоскоростшх газовых потоков с этзерхностями различных тел и вызвало бурное развитие в эследние годы целого научного направления тепломассообмена -эории тепловой защиты. Взаимодействие горячего газа с эверхностыо тела связано с протеканием многочисленных и заимозависимых процессов. Теоретическое изучение этой проблемы общем случае должно основываться на решении системы іфференциальннх уравнений, описываюпщх явление нестационарного ;пломассопереноса в системе газ - тело: уравнений внешней эзодинамики, конвективного и радиационного переноса тепла к злу, переноса массы во многокомпонентной реагирующей газовой леей; кинетики, разрушения и движения материалов тела в зердом, жидком и газообразном состояниях и т.д.

Используемые в настоящее время в инженерной практике лствмы тепловой защиты можно разделить на две группы, татывающие их основные свойства и принципы работы: . Активные системы - использующие искусственное уменьшение чешних тепловых потоков, действующих на поверхность тела:

конвективного охлаждения, основанного на циркуляции эплоносителя;

массообменные (на основе пористого, пленочного или зградительного охлаждения);

с разрушением (уносом) материала, использующие физико-«мические превращения на поверхности тел;

электромагнитного регулирования теплообмена, ятользующие метода электрического или магнитного воздействия з плазму, обтекающую тело.

. Пассивные системы - не использующие искусственное уменьшение гешних тепловых потоков:

использующие радиационное охлаждение (экраны);

теплоаккумулирующие:

а) на основе теплоизолирующих материалов (обмазок) из
теплостойких материалов с низкой температуро
проводностью - "холодная" конструкция;

б) на основе жаропрочных материалов с рабочей

температурой І8СШ и выше - "горячая" конструкция.

Для более эффективной теплозащиты могут использоваться комбинированные системы, основанные на использовании двух или более указанных выше способов. В настоящей работе рассматривается один из видов активной тепловой защиты -массообменный, когда навстречу потоку подается охладитель - газ с теми же свойствами, что и в набегающем потоке. Преимущества систем теплозащиты і использующих массообменный принцип охлаждения, перед другими обусловлены тем, что в этом случае может быть сохранена внешняя форма защищаемого тела и, в известной степени, возможно поддержание температуры поверхности на желаемом уровне с помощью . соответствующего расхода охладителя.

_ Так как энергетические ресурсы (суммарный расход охладителя, модность системы охлаждения) на борту летательного аппарата ограничены, то возникает задача построения оптимальной тепловой защиты, которая укладывается в вариационную схему типа Иайера.

В настоящее время существует три основополагающих подхода к оптимизации процессов управления: принцип максимума Понтрягина, метод динамического программирования Веллиана и современное вариационное исчисление.

Все эти подходы равноправны, но когда речь идет о* оптимизации процессов, описываемых нелинейным! дифференциальными уравнениями в частных производных, то да отыскания оптимального управления приходится обращаться з третьему подходу: формализму Лагранжа, так как принци! максимума, например, доказан только для ограниченного класс систем, а применение метода Беллмана наталкивается н "проклятие размерности". Следует подчеркнуть, что использование формализма Лагранжа приводит к проблем совместного интегрирования исходной и сопряженной систем которая для практически важных задач является чрезвычай-сложной с математической точки зрения: эта сложной усугубляется еще и тем, что некоторые множители Лагранжа, кг правило, терпят разрывы первого рода в угловых точках грани области, где протекает управляемый процесс. Для решения эт< проблемы возможны два пути:4

I. Дальнейшее развитие собственно теории уравнений

:тными производными, точнее - теории краевых задач.

2. Создание специальных методов решения вариационных іач, к которым следует отнести теорию инвариантных иационных задач, созданную известным немецким математиком и Нетер.

Говоря о применении этой теории, следует выделить два нципиальных направления.

Первое из них связано с конструированием законов ранения физических полей, моделируемых с помощью различных иационных принципов.

Второе направление связано с работами К.Г.Гараева. ность этого направления заключается в конструировании ергентных форм (законов сохранения), а в некоторых случаях и вых интегралов для некоторых классов оптимальных систем, что ественно упрощает задачу построения управляющих воздействий задачах оптимального управления пограничным слоем такой ход позволяет получить оптимальное управление в литическом виде).

Целью работы является математическое моделирование имальной неразрушающейся тепловой защиты с целью минимизации егрального теплового потока, передаваемого от пограничного я газа к обтекаемой поверхности при гиперзвуковых режимах ения; в качестве управления выступает удельный расход адителя, подаваемого навстречу потоку через пористый или $орированный участок обтекаемой поверхности; мощность темы охлаждения считается заданной.

Научная новизна. За последние 20-30 лет в механике кости и газа нашли широкое применение методы теории групп и ебр Ли. В настоящее время направление исследований, занное с приложением групп Ли к дифференциальным уравнениям лассификации соответствующих инвариантных решений, развитое работах Л.В.Овсянникова, получило название современного ппового анализа. Инфинитезимальный аппарат Ли-Овсянниковз нется эффективным средством отыскания частных (инвариантных частично инвариантных)* решений уравнений математической яки.

В проблеме управления теоретико-групповые методы впервые я использованы в работах Павлова В.Г., Кухтенко А.И., енова В.Н., Павловского D.H., Яковенко Г.Н., Гараева К.Г.,

Можаева Г.Б., Борецкого И.Ф. и других исследователей. Сред зарубежных авторов первые публикации в атоы направлена: принадлежат Арбибу М., Брокету'Р., Барнету С, Хериану Р. Калыану Р. и другим учении. Использование группового подход позволяет представить свойства и закономерности систеї управления в форме законов симметрии, выражающих инвариантност; моделей объектов управления относительно групп преобразований и тем самым реализовать идеи эрлангенской программы Ф.Клейна : проблеме управления.

Следует отметить, что наиболее интересных результатов (ка: было показано в работах Гараева К.Г.) можно добиться прі совместном использовании теории групп Ли и теории инвариантны вариационных задач Э.Нетер.

Исследования по развитию и применению теории инвариантны вариационных задач к проблеме управления системами распределенными параметрами (к числу которых принадлежит і данная диссертация) носят оригинальный характер; число работ : этом направлении в мировой литературе незначительно.

В рамках точных уравнений пограничного слоя (т.е. когд движение жидкости или газа описывается уравнениями в частны производных) типа Прандтля большинство работ посвящен оптимальному управлению движением несжимаемой жидкости оптимальным же задачам динамики вязкого сжимаемого газ посвящены единичные публикации.

В диссертации получены следующие новые научные результаты

проведена групповая классификация, построены закон сохранения и доказана теорема о существовании первого интеграл в задаче оптимального управления ламинарным пограничным слое электропроводящего газа при наличии магнитного поля;

поставлены и решены задачи оптимизации тепломассообмена ламинарном пограничном слое электропроводящего газа при наличи магнитного поля в плоском и осесинметричном случаях;

вычислена группа симметрии, построены законы сохранения получен первый интеграл в задаче оптимизации тепломассообмена ламинарном пограничном слое неравновесно диссоциирующего газа

поставлена и решена задача оптимизации тепломассообмена ламинарном пограничном слое равновесно диссоциирующего газа.

Основными методами исследования . являются мето; вариационного исчисления и оптимального управления, теорв

рупп и алгебр Ли, теории инвариантных вариационных задач втер, теории ламинарного пограничного слоя и теплопередачи, этод обобщенных интегральных переменных Дородницына.

'Объектом исследова"ния являются системы дифференциальных равнений в частных производных параболического типа, писывающие оптимальные режимы течения ламинарного пограничного лоя сжимаемого газа при гиперзвуковых режимах течения.

Теоретическая и практическая значимость. Полученные теоре-ические.. результаты могут стимулировать появление работ по оделировзнию оптимальной тепловой защиты гиперзвуковых етательных аппаратов с дальнейшим продвижением в область более ысоких температур и скоростей.

Для использования в инженерной практике разработана рограммз расчета на ЭВМ минимизирующей последовательности начений конвективного теплового потоки и соответствующей оследовательности оптимальных законов . вдува. Программа тличается универсальностью {заложена альтернатива: плоский лучай - тело вращения), простотой (используется диалоговый ежим работы) и наглядностью (предусмотрен широкий спектр рафического представления результатов расчета).

Достоверность исследований вытекает из математической прогости постановки рассматриваемых задач и применяемых іетодов, а также сравнения полученных результатов с ранее наполненными работами по оптимальному управлению пограничным :лоем.

Публикации и апробация работы. Результаты диссертации
[вкладывались на научных семинарах кафедры специальной
іатематики Казанского государственного технического
гниверситета им.А.Н.Туполева, факультета математики

ниверситета Биргама Янга (г.Прово, США), аэрокосмического іакультета университета штата Вашингтон (г.Сиэтл, США); на хі ісероссийском коллоквиуме по современному групповому анализу [г.Самара), на iv Международной конференции по математике, «еханике и физике, посвященной 95-летию М.А.Лаврентьева [г.Казань), на Международной научно-технической конференции 'Типерзвуковые течения и гиперзвуковые технологии" (г.Жуковский, ЦАГИ), на Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы математического моделирования а автоматизированного проектирования в машиностроении"

(г.Казань),, на 3-й межведомственной научно-техническо конференции "Проблемы управления и навигащи авиационно космических систем" (г.Киев), на юбилейной научно-техническо конференции, посвященной 50-летию НИЧ КАИ (г.Казань).

Результаты исследований опубликованы в 2 статьях ( журналах "Известия вузов, математика" и "Известия вузог Авиационная техника"), в материалах хи Национального Конгресс по тепломассообмену (т.Л'Акуила, Италия) и в тезисах различны .конференций. В автореферате приведен список из 10 работ по теу диссертации.

Работа выполнялась в рамках гранта Конкурсного Центр фундаментального естествознания при Санкт-Петербургскс .государственном университете по теме "Группы Ли и теория Нете в проблеме управления с приложением к задаче оптимальної управления пограничным слоем злектропров"одяще жидкости" (І994-95ГГ.).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введена* трех глав, заключения и библиографического списка, включающе] 96 наименований. Работа содержит 137 страниц машинописної текста, в том числе 10 рисунков и 4 таблицы.