2
Оглавление
Введение
0.1. Общий анализ проблемы.............................................5
0.2. Структура работы.................................................13
Глава 1. Решение задачи обтекания заостренных тел гиперзвуковым потоком газа в рамках модели ПВУС
1.1. Модель ПВУС: постановка задачи...................................21
1.2. Алгоритм решения и разностная схема..............................29
1.3. Расчетное исследование ПВУС на пластине
иод нулевым углом атаки...........................................31
1.4. Расчетное исследование ПВУС на пластине под углом атаки..........41
1.5. Расчетное исследование ПВУС на конусе под нулевым углом атаки 58
1.6. Сравнительный анализ характеристик БУС для осесимметричных
и плоских течений.................................................71
1.7. Выводы по главе 1................................................75
Глава 2. Численное решение задачи устойчивости гинерзвукового ударного слоя плоской пластины в рамках линейной теории устойчивости с учетом влияния ударной волны
2.1. Вводные замечания и обзор работ по устойчивости гиперзвуковых течений...........................................................76
2.2. Характеристики среднего течения..................................79
2.3. Линеаризованные условия на УВ для уравнений устойчивости.........81
2.4. Задача линейной устойчивости ударного слоя на пластине...........83
2.5. Выводы по главе 2................................................89
3
Глава 3. Прямое численное моделирование взаимодействия вязкого ударного слоя с внешними акустическими возмущениями
3.1. Вводные замечания и обзор работ.........................................91
3.2. Постановка задачи...........................................'.....93
3.3. Алгоритм решения и численный метод................................97
3.4. Стационарное течение: расчет и эксперимент.......................100
3.5. Взаимодействие ВУС с внешними акустическими волнами при 0=0.... 105
3.6. Сравнение с линейной невязкой теорией взаимодействия возмущений с ударной волной........................................................109
3.7. Механизм формирования пульсаций плотности........................113
3.8. Влияние внешних условий на эволюцию возмущений...................115
3.9. Влияние частоты внешних акустических возмущений..................122
3.10. Численное исследование вязкого ударного слоя на пластине при разных
углах распространения внешних акустических волн.......................127
3.11. Сравнение с линейной теорией устойчивости.......................133
3.12. Влияние амплитуды внешних акустических возмущений. Нелинейные волновые процессы в гиперзвуковом ударном слое........................137
3.13. Многоволновые процессы в гиперзвуковом вязком ударном слое......143
3.14. Выводы по главе 3 ..............................................146
Глава 4. Прямое численное моделирование взаимодействия вязкого ударного слоя с локализованными начальными возмущениями, вводимыми с поверхности пластины вблизи ее передней кромки
4.1. Вводные замечания и обзор работ.................................148
4.2. Постановка задачи, алгоритм решения и численный метод........150
4.3. Сравнение с экспериментальными данными..........................151
4.4. Восприимчивость ударного слоя к возмущениям, локально вводимым
вблизи передней кромки пластины.................................155
4.4.1. Влияние числа Маха.......................................155
4.4.2. Влияние местоположения источника возмущений..............158
4.4.3. Механизм формирования пульсаций в ударном слое от возмущений источника вдув-отсос................................163
4.4.4. Влияние частоты локальных возмущений типа вдув-отсос.....166
4.4.5. Влияние амплитуды локальных возмущений типа вдув-отсос ..168
4.5. Многоволновые процессы в гиперзвуковом вязком ударном слое......173
4.6. Выводы по главе 4...............................................176
Глава 5. Прямое численное моделирование управления развитием возмущений вязкого ударного слоя
5.1. Вводные замечания и обзор работ.................................177
5.2. Подбор амплитуды локализованных возмущений......................182
5.3. Подбор фазы локализованных возмущений...........................184
ч
5.4. Управление развитием возмущений интерференционным методом ....186
5.5. Сравнение с экспериментом.......................................194
5.6. Управление многоволновыми процессами в гиперзвуковом вязком ударном слое...................................................198
5.7. Выводы по главе 5...............................................200
Глава 6. Волновые процессы в гиперзвуковом ударном слое на пластине под углом атаки
6.1. Вводные замечания и обзор работ.................................202
6.2. Численный метод.................................................204
6.3. Результаты расчетов. Сравнение с экспериментом..................205
6.4. Выводы главы 6..................................................214
Заключение.........................................................215
Литература.........................................................216
5
Введение
Развитие космической- техники и создание высокоскоростных самолетов вызвало интерес к изучению характеристик возмущений в гиперзвуковых пограничных слоях. Интерес к этой проблеме объясняется не только ее важностью с точки зрения фундаментальных исследований, но и большим прикладным значением. Результаты исследований пограничных и ударных слоев при гиперзвуковых скоростях полета приобретают первостепенное значение при проектировании перспективных летательных аппаратов. Актуальность этих исследований связана с их существенным влиянием на уровень тепловых потоков, интенсивность силовых и вибрационных нагрузок на конструкцию гиперзвуковых аппаратов. Изучение закономерностей развития возмущений, механизма восприимчивости,
ламинарно-турбулентного перехода и управления возмущениями в гиперзвуковых течениях представляет собой одну из важных фундаментальных проблем современной аэрогидродинамики.
При входе летательного аппарата в земную атмосферу на его поверхности реализуется сложная1 структура поля течения [1], широкий спектр режимов обтекания (рис.0.1). Вблизи передних кромок существует область течения, в которой пограничный слой (ПС) и ударная волна (УВ) взаимодействуют и сливаются в такой степени, что между ними невозможно провести четкую границу. Эта область размазанного слоя асимптотически переходит в область сильного вязко-невязкого взаимодействия. В области сильного взаимодействия либо не удается четко выделить зону невязкого течения между УВ и ПС, либо она мала. Далее реализуется режим слабого вязко-невязкого взаимодействия, где невязкое течение играет значительную роль. Режимы размазанного слоя и сильного взаимодействия можно объединить в режим вязкого ударного слоя.
1
6
Рис.0.1. Схема гипсрзвукового обтекания плоской пластины: I - размазанный слой; II - сильное вязко-невязкое взаимодействие; III - слабое вязко-невязкое взаимодействие.
Вязкий ударный слой (ВУС) всегда формируется на передних кромках гиперзвуковых летательных аппаратов, где локальное число Рейнольдса еще невелико и вязкие силы доминируют в области течения за головной УВ. Его протяженность зависит от условий обтекания. Например, у самолета, летящего со скоростью соответствующей числу Маха 12 иа высоте 60 км, длина области ВУС от передней кромки составляет 1 м. Возмущения, формирующиеся в ударном слое, сносятся вниз по потоку и оказывают влияние на развитие возмущений и ламинарно-турбулентный переход в гиперзвуковом ПС летательного аппарата в целом. Последнее влияет на сопротивление трения, аэродинамические характеристики, величину и распределение тепловых потоков на поверхности корпуса летательного аппарата. Этим и оределяется актуальность исследований нестационарных процессов в гиперзвуковых течениях.
Для изучения сложных фундаментальных проблем аэрогидродинамики имеются два пути - экспериментальный и теоретический. Развитие авиационно-космической летательной техники содействовало разработке теории гиперзвуковых течений и проведению обширных экспериментальных исследований в аэродинамических трубах и натурном полете, которые были обобщены в ряде монографий [1-4].
Возможности экспериментального моделирования восприимчивости и развития возмущений в гииерзвуковом ударном слое в аэродинамических трубах весьма ограничены, в частности, не моделируются числа Рейнольдса и энтальпия потока, соответствующие реальному полету. Сложность параметрических исследований в гиперзвуковых аэродинамических трубах и ограниченное число измеряемых параметров не позволяет построить целостную картину волновых процессов в ударном слое. С другой стороны, понимание механизмов возникновения и развития возмущений в ударном слое, их иерархии и взаимосвязи необходимо для выбора эффективного метода воздействия на пульсации.
Развитие численных методов существенно сокращает время и затраты на проведение экспериментальных исследований сложных течений, позволяет получить все поле газодинамических параметров потока, выполнить широкие параметрические исследования изучаемого процесса. Численное моделирование имеет неоспоримое преимущество для предсказания характеристик течений в условиях высокоэнтальпийных гиперзвуковых потоков, а экспериментальные данные важны для верификации математической модели и численного алгоритма.
В настоящее время считается общепризнанной прямая связь возникновения турбулентности с потерей устойчивости исходного ламинарного течения, по крайней мере, для малой интенсивности возмущений во внешней среде [5]. Исследования проблемы устойчивости и ламинарно-турбулентного перехода описаны в многочисленных монографиях [6-17].
За последние 40-50 лет накоплен большой объем экспериментальных и теоретических знаний по проблеме устойчивости пограничного слоя и развития в нем пульсаций. Особый интерес в рамках этой проблемы представляет задача устойчивости и развития возмущений в пограничном слое на поверхности аппарата, движущегося в высоких слоях атмосферы при
больших числах Маха. Пик интереса к этой проблеме пришелся на конец 60-х - начало 70-х годов, когда з США и СССР начались работы по созданию возвращаемого аппарата многоразового использования.
К исследованию ламинарно-турбулентного перехода в гиперзвуковых течениях применимы несколько подходов:
1) моделирование стационарного обтекания пластины в рамках различных известных уравнений, пригодных для описания течений при гиперзвуковых скоростях потока;
2) применение линейной теории устойчивости для анализа развития неустойчивости стационарного течения;
3) прямое численное моделирование неустойчивости гиперзвукового вязкого ударного слоя;
4) постановка модельных экспериментов в гиперзвуковой трубе с целыо верификации результатов расчета.
В УС имеет ряд специфических особенностей, отличающих его от ПС. В случае гиперзвукового ударного слоя
• течение не параллельно, и существуют значительная расходимость течения и продольный градиент давления;
• головная УВ расположена очень близко к ПС;
• при больших числах Маха становится существенным эффект вязконевязкого взаимодействия.
Поэтому задача стационарного обтекания тел гиперзвуковым потоком газа может быть решена в рамках уравнений ПС с учетом вязко-нсвязкого взаимодействия [18-23]. Задача о взаимодействии состоит в нахождении решения для классического ПС при внешнем давлении, неизвестном заранее, а определяемом с помощью соотношений в гиперзвуковом течении в зависимости от степени роста самого ПС. Т.о. надо решать сразу 2 задачи: нсвязкого обтекания модели и ПС.
9
Другим подходом к решению задачи об обтекании тел гиперзвуковым потоком является решение уравнений полного вязкого ударного слоя (ПВУС) [24-26], согласно которому все иоле течения от тела до У В рассматривается как единое целое. Уравнения ПВУС содержат все члены уравнений ПС (до второго порядка относительно и члены уравнений Эйлера для
внешнего невязкого потока. Т.о. уравнения ПВУС. можно сравнить с параболизованными уравнениями Навье-Стокса. В работе [27] показано, что уравнения ВУС относительно просты и дают хорошие результаты в промежуточном диапазоне чисел Рейнольдса. Модель классического ПС [6,28,29] лучше использовать при больших числах Рейнольдса.
Наиболее известными и проработанными моделями для исследования устойчивости сверхзвуковых ПС являются локально-параллельная линейная теория устойчивости [7,9,30-35] и параболизованные уравнения устойчивости [36-40]. Эти модели хорошо зарекомендовали себя для описания течений со слабым вязко-невязким взаимодействием. В случае же гиперзвуковых ударных слоев головной скачок уплотнения расположен настолько близко к верхней границе ПС, что поперечные размеры ударного и пограничного слоев сопоставимы, и в этом случае следует учитывать влияние УВ и вязко-невязкого взаимодействия на характеристики устойчивости. В [41-43] из стационарных условий Реикина-Гюгонио на скачке уплотнения получены уравнения для возмущений, которые затем используются как граничные условия на УВ для линейных уравнений устойчивости. Исследование устойчивости ВУС на пластине в рамках данного подхода приведено в главе 2 диссертации.
Анализ данных по ламинарно-турбулентному переходу показывает, что в случае малых внешних возмущений ламинарно-турбулентный переход в ПС обусловлен неустойчивостью ламинарного режима течения. Теоретические исследования [5] показывают, что часть области перехода занимает линейная стадия развития неустойчивых возмущений. Линейная
I
10
стадия для-сверхзвуковых сжимаемых течений с умеренными числами Маха подробно исследована как в теоретическом, так и в экспериментальном плане, и обзор этих исследований приведен в [9]. Однако эти результаты не могут быть перенесены на большие скорости потока в силу особенностей ВУС, описанных выше. К тому же необходимо знать не только характер уже сформировавшихся волн неустойчивости, но и механизмы их возбуждения.
Наиболее перспективным в данном случае становится использование прямого численного моделирования (ПЧМ) на основе полных нестационарных уравнений Навьс-Стокса. Этот подход позволяет отказаться от упрощающих предположений модели ПС и ПВУС и непосредственно получать стационарные и нестационарные поля течения. Метод ПЧМ был успешно применен для моделирования возмущений в гиперзвуковом ПС [44-52] при умеренных числах Маха (^«,<10). Как показал опыт этих исследований, привлечение линейной теории устойчивости облегчает интерпретацию результатов исследований.
Анализ ламинарно-турбулентного перехода в ПС традиционно начинают с задачи восприимчивости, т.е. возбуждения воли неустойчивости внешними возмущениями. Выяснение путей и причин возникновения возмущений в ударном слое, то есть процесс генерации возмущений, составляет содержание проблемы его восприимчивости. По аналогии с дозвуковыми течениями [16, 53], для гиперзвуковых течений также можно выделить два случая возбуждения возмущений ВУС: непрерывную
(распределенную) генерацию в протяженной области течения и локализованную - при сосредоточенном в пространстве воздействии. Генерация волн неустойчивости под воздействием акустических возмущений внешнего потока может служить примером распределенной генерации колебаний ударного слоя, а генерация волн неустойчивости под воздействием возмущений типа периодического вдува-отсоса, генерируемых
на поверхности тела вблизи передней кромки, - примером локализованной генерации.
Характеристики возмущений в гиперзвуковом ударном слое определяются следующими основными процессами: воздействием
возмущений внешнего потока на ударный слой, генерацией возмущений внутри ударного слоя и развитием возмущений при их конвекции вниз по потоку. Эти процессы взаимосвязаны, идут одновременно на всем протяжении ударного слоя и могут быть определены как единый механизм распределенной восприимчивости. Наиболее четко проблема восприимчивости была сформулирована в работе [54]. Восприимчивость является важной начальной стадией ламинарно-турбулентного перехода в ПС, воздействие на которую входит в круг возможных методов управления ламинарно-турбулентным переходом при высокоскоростном обтекании, приведенных в обзоре [55]. В связи с этим представляет интерес изучение восприимчивости гиперзвукового ударного слоя к пульсациям внешнего потока и к возмущениям от источников на обтекаемой поверхности, а также разработка методов управления интенсивностью пульсаций, возникающих в ударном слое.
В настоящее время степень проработки этой проблемы является недостаточной. Немногочисленные экспериментальные исследования волновых процессов в гиперзвуковом ударном слое были начаты в конце 60-х годов и, фактически, прекращены в начале 70-х годов прошлого века. Их основные результаты приведены в работах [56-61]. В них были получены отдельные данные о распределении интегральных характеристик пульсаций массового расхода, плотности и температуры в ударном слое и гиперзвуковом слое смешения для умеренных единичных чисел Рейнольдса в диапазоне чисел Маха М«, = 7 43. В последнее время с помощью не
возмущающего поток метода электронно-пучковой флюоресценции азота были проведены измерения характеристик пульсаций плотности в ударном
• 12
слое на пластине, остром конусе, радиусной поверхности сжатия и в следе за телом для числа Маха М* - 21 и единичного числа Рейнольдса Rei«, = 6* 10" 1/м [62-66]. Возможности метода позволили измерить поле средней плотности, спектры и- фазовую скорость пульсаций плотности в ударном слое, вычислить скорость роста возмущений. Численные исследования процессов восприимчивости и развития возмущений в гиперзвуковых ударных слоях ограничиваются числами Маха меньше 10 [44-52].
Важным этапом решения проблемы управления ламинарно-турбулентным переходом является разработка и создание методов и устройств управления интенсивностью пульсаций в гиперзвуковых ударных слоях. Задача управления возмущениями может быть решена разными методами, систематизация которых наиболее полно приведена в обзоре [67]. Важным вопросом является правильный выбор методов воздействия. Анализ работ [55,67-73] показывает, что выбор метода воздействия на возмущения в ПС определяется параметрами среднего течения и типом моды возмущений.
В дозвуковых ПС, где основным типом возмущений являются волны Толмина-Шлихтинга, успешно используются интерференционные методы управления с помощью устройств типа вдув-огсос, вибрирующая лента, микроэлектромеханических устройств (МЭМС), локального периодического нагрева и электрического разряда [68-71]. В сверхзвуковых и умеренно гиперзвуковых ПС, где преимущественно развиваются возмущения акустической моды, успешно применяется метод подавления акустических возмущений звукопоглощающим пористым покрытием [52, 72, 73]. Для гиперзвукового ударного слоя также должен быть определен оптимальный метод воздействия.
Сказанное выше определяет актуальность проведения исследований по устойчивости и управлению возмущениями в ВУС и позволяет сформулировать цели диссертационной работы:
1. Исследование характеристик среднего течения на заостренных телах при их обтекании потоком газа при больших числах Маха и умеренных числах Рейнольдса; верификация сравнением с различными
экспериментальными данными и расчетами других авторов; проведение параметрических расчетов в широком диапазоне определяющих параметров и представление результатов в виде безразмерных универсальных зависимостей;
2. Численное моделирование устойчивости гиперзвукового ВУС в рамках линейной теории устойчивости с учетом влияния УВ,
близкорасположенной к ПС;
3. ПЧМ генерации и развития возмущений в гиперзвуковом ВУС на пластине при воздействии на него внешних акустических волн и возмущений, исходящих с обтекаемой поверхности; получение характеристик возмущений в ударном слое при гиперзвуковых
скоростях внешнего потока;
4. Постановка модельных экспериментов для верификации данных численного моделирования;
5. Выявление механизмов генерации и развития возмущений в
гиперзвуковом ударном слое и определение методов управления интенсивностью пульсаций в ВУС.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы из 272 ед.
Во Введении дан общий анализ проблемы исследования
гиперзвуковых течений, их устойчивости и возможности управления развитием возмущений. Рассмотрена актуальность задачи, сформулированы цели работы, научная новизна и практическая значимость.
В главе 1 выполнено численное моделирование обтекания заостренных тел (плоская пластина и конус) гиперзвуковым потоком газа в
рамках модели Полного Вязкого Ударного Слоя (ПВУС). Проведены параметрические расчеты в широком диапазоне определяющих параметров. Проведен сравнительный анализ характеристик ВУС для осесимметричных и плоских течений. Получены универсальные безразмерные зависимости числа Стантона от числа Рейнольдса, числа Маха, температурного фактора, что позволяет лучше понять закономерности обтекания и способствует решению различных прикладных задач.
Вторая глава диссертации посвящена численному решению задачи устойчивости гиперзвукового ударного слоя плоской пластины в рамках линейной теории устойчивости с учетом влияния УВ. Выводятся линеаризованные условия на УВ для уравнений устойчивости из обобщенных условий Ренкина-Гюгонио, учитывающих, как и уравнения ПВУС, члены второго порядка относительно 1 Л/Яе^. Получены характер истики устойчивости ударного слоя на пластине с учетом близкорасположенной УВ. Показано, что У В оказывает стабилизирующее влияние на все возмущения в ударном слое и максимум пульсаций сдвигается на УВ.
В третьей' главе проведено прямое численное моделирование взаимодействия ВУС с внешними акустическими возмущениями в рамках решения двумерных уравнений Навье-Стокса. Показано, что основные волновые процессы происходят на УВ и верхней границе гиперзвукового ПС, и под влиянием внешних акустических волн внутри ударного слоя генерируются энтропийно-вихревые возмущения. Показано хорошее согласие коэффициентов преобразования амплитуд пульсаций за УВ с данными линейной теории взаимодействия. Описан механизм формирования пульсаций плотности: поле пульсаций плотности формируется нормальными к поверхности пластины колебаниями поля средней плотности в ударном слое, вызываемыми вихрями, возникающими за УВ иод воздействием возмущений внешнего потока. Показано, что окрестность передней кромки
15
играет доминирующую роль в возбуждении неустойчивости гиперзвукового ударного слоя. Исследовано влияние частоты, углов распространения 0 и амплитуды внешних акустических волн. Проведено численное моделирование пульсаций' в ВУС, генерируемых интенсивными акустическими возмущениями внешнего потока одновременно на нескольких частотах различной амплитуды.
В четвертой главе' проведено прямое численное моделирование взаимодействия ВУС с локализованными периодическими возмущениями типа вдув-отсос, вводимыми с поверхности пластины вблизи ее передней кромки при вариациях числа Маха, положения источника возмущений, частоты и амплитуды начального возмущения. Описан механизм формирования пульсаций в ударном слое от возмущений источника вдув-отсос. Показано, что при различных местоположениях источника локализованных возмущений наблюдаются различные картины развития, возмущений внутри ударного слоя. Проведено численное моделирование пульсаций в ВУС, создаваемых многочастотным нестационарным периодическим источником на поверхности. Показано появление комбинационных частот - суммарных и разностных - и- их взаимодействие друг с другом.
В пятой главе проведено прямое численное моделирование развития возмущений в гиперзвуковом ВУС на пластине при одновременном воздействии внешних акустических волн и периодических возмущений типа вдув-отсос, генерируемых на поверхности модели. Показано подобие полей пульсаций, генерируемых в ударном слое возмущениями внешнего потока и пульсациями вдув-отсос, а также совпадение величин продольной фазовой скорости возмущений, создаваемых в ударном слое этими источниками воздействия. Эти особенности позволяют реализовать интерференционную схему управления интенсивностью пульсаций в ударном слое, путем воздействия на них контролируемыми возмущениями с определенной
16
амплитудой и фазой. Показано хорошее совпадение результатов расчетов с данными трубных измерений. При условии подбора соответствующей фазы и амплитуды вдува-отсоса для каждой монохроматической внешней акустической волны, численно продемонстрировано управление многоволновыми процессами в гиперзвуковом вязком ударном слое.
В шестой главе проведено прямое численное моделирование развития возмущений в гиперзвуковом ВУС на пластине под углом атаки. Показано, что при углах атаки а больше 20° за УВ генерируются интенсивные акустические волны, в то время как при меньших углах атаки - интенсивные неакустические возмущения.
В Заключении сформулированы основные выводы диссертационной работы. Список литературы дается в конце диссертационной работы.
На защиту выносятся:
результаты численного исследования характеристик течения на заостренных телах при их обтекании потоком газа при больших числах Маха и умеренных числах Рейнольдса в рамках модели ПВУС;
- данные численного моделирования устойчивости гинерзвукового ВУС в рамках линейной теории устойчивости с учетом влияния близкорасположенной УВ;
- результаты прямого численного моделирования генерации и развития возмущений в гиперзвуковом ВУС на пластине при воздействии на него внешних акустических волн и возмущений от источников типа вдув-отсос на обтекаемой поверхности;
- определение механизмов генерации и развития возмущений в гиперзвуковом ударном слое;
- данные прямого численного моделирования восприимчивости ВУС на пластине при различных углах атаки к внешним акустическим волнам;
17
численная реализация интерференционного метода управления интенсивностью пульсаций в ВУС на пластине под нулевым углом атаки при многочастотности внешних и внутренних воздействий.
Научная новизна работы:
1. Впервые численно исследована генерация и развитие возмущений в гиперзвуковом вязком ударном слое на пластине под воздействием внешних акустических воли, а также пульсаций типа вдув-отсос от локального источника на поверхности пластины;
2. Показано, что для условий обтекания пластины гиперзвуковым потоком внешние акустические волны, а также пульсации, создаваемые локальным источником вдув-отсос на поверхности пластины, порождают в ударном слое пульсации преимущественно энтропийно-вихревой моды;
3. Получены новые данные о коэффициентах преобразования внешних возмущений на ударной волне и структуре пульсаций в ударном слое с учетом и без учета вязкости;
4. Показано подобие полей пульсаций, генерируемых в ударном слое возмущениями внешнего потока и пульсациями вдув-отсос с поверхности модели, а также совпадение величии их продольных фазовых скоростей на границе пограничного слоя;
5. Впервые выполнено прямое численное моделирование восприимчивости ВУС на пластине под углом атаки к внешним акустическим волнам. Особенности взаимодействия акустических возмущений с ВУС исследованы в широком диапазоне частот.
6. Впервые численно реализован интерференционный метод управления интенсивностью пульсаций в гиперзвуковом ВУС на пластине под нулевым углом атаки.
Маслову A.A. принадлежит научное консультирование по задачам, представленным в работе. Экспериментальные данные получены д.ф.-м.н.
С.Г. Мироновым и к.ф.-м.н. И.С. Цырюлышковым. Расчеты в главах 3-6 проводились с помощью программы решения уравнений Навье-Стокса, разработанной к.ф.-м.н. А.Н. Кудрявцевым.
Анализ полученных результатов и их верификация проводились совместно с членами исследовательской группы ИТПМ СО РАН: д.ф.-м.н.
В.Н. Ветлуцким, к.ф.-м.н. Б.В. Смородским, д.ф.-м.н. С.Г. Мироновым, к.ф.-м.н. А.Н. Кудрявцевым, к.ф.-м.н. И.С. Цырюлышковым и С.В. Кириловским. Реализация применения интерференционного метода управления развитием возмущений в вязком ударном слое производилась автором по инициативе директора Института академика В.М. Фомина.
Апробация работы.
Основные результаты диссертации докладывались на конференциях по методам аэрофизических исследований ICMAR’94, ICMAR’96, ICMAR’98, ICMAR’2000, ICMAR’2002, ICMAR’2007, ICMAR’2008; на международной конференции «Математические модели и численные методы механики сплошных сред» (Новосибирск 1996); конференции «Сопряженные задачи механики и экологии» (Томск 1996); на ежегодной конференции немецкого сообщества механиков (Бремен, 1998); на XVI международной школе-семинаре по численным методам механики вязкой жидкости (Новосибирск 1998); 4-й международной конференции по механике жидкостей
EUROMECH’2000 (Голландия 2000); на I междунаройной школе-семинаре «Модели и методы аэродинамики» (Евпатория 2001); на 5-й международной конференции по механике жидкостей (Франция, Тулуза 2003); на 5-й азиатской конференции по вычислительной механике жидкостей (Китай, Сиань 2006); на Всероссийском семинаре по аэрогидродинамике (Санкт-Петербург, 2008); на Всероссийской научно-практической конференции
18
Научная и практическая значимость работы;
Автором получены результаты, расширяющие представления о волновых процессах, происходящих в высокоскоростных вязких ударных слоях.
В результате анализа проведенных параметрических расчетов обтекания заостренных тел гиперзвуковым потоком газа получены универсальные безразмерные зависимости чисел Стантона на пластине и конусе от числа Рейнольдса, числа Маха и температурного фактора.
Выявлены механизмы генерации и развития возмущений в гиперзвуковых вязких ударных слоях, показаны их отличия от сверхзвуковых пограничных слоев.
Получены данные о нелинейных волновых процессах в гиперзвуковых ударных слоях на пластине при многочастотности внешних и внутренних воздействий.
Реализован интерференционный метод управления интенсивностью пульсаций в В УС на пластине под нулевым углом атаки.
Выявлены особенности взаимодействия акустических возмущений с ВУС на пластине под углом атаки.
Достоверность результатов подтверждается их совпадением с экспериментальными данными, расчетными данными других авторов и результатами, полученными по другим моделям.
Личный вклад автора.
Все основные результаты работы получены при участии автора. Диссертанту принадлежат: постановки задач, представленных в работе; разработка программы решения уравнений ПВУС и программы решения уравнений Дана-Линя с учетом влияния УВ; проведение расчетов по задаче ПЧМ развития возмущений в гиперзвуковом ВУС на суперкомпьютерах ИТПМ и ССКЦ СО РАН; постановка модельных экспериментов в гиперзвуковой аэродинамической трубе Т-327 ИТПМ СО РАН. Проф.
20
«Вычислительный эксперимент в аэроакустикс» (Светлогорск, 2006); на 25-м международном симпозиуме по разреженной газовой динамике (Санкт-Петербург, 2006); на Всероссийской конференции «Проблемы механики сплошных сред и физики взрыва» (Новосибирск, 2007); на 26-м международном симпозиуме по ударным волнам (Германия, Геттинген, 2007); на международной конференции WEHSFF (Москва, 2007); на молодежных конференциях «Устойчивость и турбулентность течений гомогенных и гетерогенных жидкостей» (Новосибирск, 2008 и 2010); на Всероссийской конференции «Новые математические модели механики сплошных сред: построение и изучение», приуроченной к 90-летию академика Л.В. Овсянникова (Новосибирск,2009); на VII Всероссийской конференции молодых ученых «Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии» (Новосибирск, 2009); на 5-й международной конференции по вычислительной механике жидкостей (Корея, Сеул, 2008); на 7-й международной конференции по механике жидкостей EVROMECH (Великобритания, Манчестер, 2008); на 7-й Всемирной конференции по экспериментальному теплопереносу (Польша, Краков, 2009); на 27-м международном симпозиуме по ударным волнам (Санкт-Петербург, 2009); на Всероссийской конференции, приуроченной к 70-летию академика. В:А. Левина “Успехи механики сплошных сред” (Владивосток, 2009); на международной конференции «Нелинейные задачи теории гидродинамической устойчивости» (Москва, 2010); на 8-й международной конференции по механике жидкостей EVROMECH (Германия, Бад Райхенхаль, 2010).
Публикации.
По теме диссертации имеется 42 научных публикаций, в том числе 26 публикаций в ведущих научных журналах из перечня ВАК. Основные результаты исследований содержатся в [42, 43, 84-90, 107, 111-113, 169-172, 187, 195, 230, 231, 258-262, 271].
ГЛАВА 1
Решение задачи обтекания заостренных тел гиперзвуковым потоком газа в рамках модели Полного Вязкого Ударного Слоя
1.1. Модель ПВУС: постановка задачи
При входе летательного аппарата в земную атмосферу условия его
обтекания изменяются от свободномолекулярного течения на большой высоте до течения сплошной среды на малой высоте. Поскольку существует такой широкий диапазон условий, эта задача решалась разными методами.
Гиперзвуковое обтекание удлиненных тел с острой передней кромкой тел исследовалось в рамках модели вязко-невязкого взаимодействия [17-19, 23, 74, 75] или модели тонкого ударного слоя [24-26, 76]. В [2] приведены приближенные аналитические решения уравнений гиперзвукового ПС отдельно для областей сильного и слабого взаимодействия. В [77] представлены корреляционные формулы но давлению и теплопередаче на ее поверхности для воздуха в области размазанного слоя и сильного взаимодействия, а в [78] - эмпирические зависимости, аппроксимирующие результаты расчетов расположения скачка и плотности на поверхности скачка в локально-автомодельном приближении в области размазанного слоя. В [79] с помощью системы уравнений, описывающих ПС, структуру УВ и невязкое ядро потока, рассматривалась задача гиперзвукового вязкого взаимодействия на удлиненных телах с острой передней кромкой. Хотя основной интерес был связан с исследованием континуальной области
22
(размазанного слоя) на передней кромке, предложенная теория, по мнению авторов, применима и для области сильного взаимодействия.
При больших числах Маха (М<»> 10) и умеренных числах Рейнольдса ( Яех ~ 104-т- 105) толщина ГІС соизмерима с расстоянием отхода УВ. Поэтому для таких течений хорошим приближением является модель ПВУС [24,25], представляющая собой промежуточный уровень асимптотического приближения между уравнениями ПС и полными уравнениями Навье-Стокса. Уравнения ПВУС помимо всех членов уравнений ПС содержат уравнение сохранения импульсов в проекции на нормаль к пластине и все члены системы уравнений Эйлера. Поэтому модель ПВУС онисываеч всю возмущенную область течения вязкого газа между УВ и поверхностью тела. Эта модель имеет определенную границу применимости вверх по потоку (как и модель сильного взаимодействия [80]), где ПС сливается с УВ. Это происходит при У=М<Л^[С /» 0.1 0.15, где V - параметр разрежения,
введенный в [80] (С - постоянная Чепмена-Рубезина [24]). Для больших V реализуется режим размазанного слоя.
Модель ПВУС имеет ряд преимуществ по сравнению с другими моделями:
- поскольку в уравнениях ПВУС вторые производные по координате д отсутствуют, она может решаться маршевым методом но этой координаїе, что позволяет существенно повысить эффективность вычислений по сравнению с моделью І-Іавье-Стокса;
- Київ+380960830922