авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Сверхзвуковое течение в канале с внезапным расширением

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

БУЛАТ Павел Викторович

СВЕРХЗВУКОВОЕ ТЕЧЕНИЕ В КАНАЛЕ С ВНЕЗАПНЫМ РАСШИРЕНИЕМ

Специальность 01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург

2012

Работа выполнена на кафедре плазмогазодинамики и теплотехники аэрокосмического факультета Балтийского государственного технического университета «Военмех», им. Д.Ф.Устинова.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Усков Владимир Николаевич
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Матвеев Сергей Константинович;
доктор технических наук, профессор Савин Андрей Валерьевич (ЗАО «Концерн «Струйные технологии»)

Ведущая организация: Институт теоретической и прикладной механики им. С.А.Христиановича СО РАН

Защита состоится «____» __________ 2012 г. в _______ на заседании совета Д 212.232.30 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 198504, Санкт-Петербург, Петродворец, Университетский пр., 28, математико-механический факультет, ауд. _____.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке имени М.Горького Санкт-Петербургского государственного университета по адресу: 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9.

Автореферат разослан «_____»__________ 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Кустова Е.В.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Актуальность исследования истечения сверхзвуковой струи в коаксиальный цилиндрический канал с внезапным расширением (ТВР) определяется тем, что выявленные в данном простом случае режимы повторяются в более сложных технических устройствах, в которых также имеются отрывные течения, например, камера Эйфеля аэродинамической трубы, сопловые блоки, эжекторы, камеры сгорания со сверхзвуковым горением, форсажные камеры воздушно-реактивных двигателей и т.п. Всех их объединяет одна общая техническая проблема - донное давление.

Процесс истечения сверхзвуковой струи в канал с внезапным расширением сопровождается широким спектром газодинамических явлений. Среди них наиболее интересными представляются нестационарные процессы. Изучение особенностей таких течений позволяет использовать полученные результаты при создании глушителей или наоборот – акустических генераторов и устройств пульсирующего дутья в металлургии. Таким образом, сочетание широкого класса различных газодинамических процессов и больших возможностей практического использования этих явлений делает рассматриваемую задачу актуальной как в фундаментальном, так и прикладных аспектах. Несмотря на многолетние исследования, так и не появилось: диагностической методики, позволяющей рассчитывать среднее донное давление в типичных технических устройствах, четкой классификации режимов, описания физической картины течения, строгих математических моделей переходных процессов. Остался открытым и традиционный вопрос о природе колебаний донного давления.



Цель работы. В настоящей работе из всего этого многообразия выбрана круглая сверхзвуковая струя, истекающая в осесимметричный канал. Она содержит в себе практически все элементы более сложных течений и может служить их моделью. При заданной геометрии сопла и канала (рис.1) течение полностью определяется множествами газодинамических переменных F0 параметров торможения рабочего газа, истекающего из сопла, и Fн – параметров газа, заполняющего канал до начала истечения струи. Множества F составляют термодинамические и теплофизические переменные, определяющие состояние рабочего и окружающего газа: p – давление, T – температура, =Cp/Cv – показатель адиабаты и другие, которые влияют на донное давление (Pд) в окрестности выходного сечения сопла Лаваля.

 Геометрия канала с внезапным-0

Рис. 1. Геометрия канала с внезапным расширением.

R* - радиус критического сечения сопла, Ra - радиус выходного внутреннего сечения сопла, Rc - радиус выходного наружного сечения сопла, а - угол полураствора сопла на его срезе, Rk - радиус канала, LК - длина канала, La - длина выноса сопла в канал.

Целью работы является исследование основных режимов течения струи в канале с внезапным расширением при заданных условиях Fн в окружающей среде, построение полной классификации стационарных режимов, переходных процессов и предельных циклов, а также нахождение последовательности их смены в зависимости от параметров торможения газа перед соплом F0, однозначное, качественно полное описание механизмов перестроек течения, возникновения и окончания колебательных режимов, анализ гистерезисных явлений. Физические явления, сопровождающие отрывные течения в окрестности обратного уступа, донного среза, различные модели донных областей подробно рассмотрены в монографии Л.В. Гогиша и Г.Ю.Степанова. Само понятие донного давления и подходы к его определению сформулированы в постановочных трудах Г.Корста, Чау и Эдди. В работах Б.А.Баланина исследовано влияние длины канала на Рд и условия запуска канала, в трудах Андерсона и Вильямса, Мартина и Бейкера, Юнговски изучались фазы формирования потока в канале и был установлен типичный график зависимости Рд от Р0. В результате представления о характерном графике Рд(Р0) приобрели современный вид (рис.2).

Рис. 2. Характерные давления на типичном графике зависимости Рд(P0).

Методы исследования. Автором проводилось систематическое экспериментальное изучение отрывного течения в канале с внезапным расширением. Относительная площадь канала в экспериментах оставалась неизменной и составляла Fк/F=(Rk/R*)2=64,3. В исследованиях использовались сопла с Mа = 1 - 6, углами полураствора на срезе сопел а = 0о, 8о, 15о, 30о и 40о. Результаты регистрировались либо с помощью осциллографа на бумагу, либо с помощью магнитографа на магнитную ленту. Методика проведения эксперимента позволила определить параметры колебательных процессов.Разработанная полуэмпирическая модель течения в канале сочетала численный метод расчета течения по соплу с точными решениями для элементов ударно-волновой структуры (УВС) струи. Для верификации полуэмпирической модели и уточнения качественной картины течения проводились численные расчеты в осесимметричной постановке с использованием уравнений Навье-Стокса, осредненных по Рейнольдсу (RANS).

Новые результаты, выносимые на защиту, заключаются в следующем:

  1. Классификация режимов течения в канале с внезапным расширением. На основе выполненных автором систематических экспериментальных, теоретических и расчетных исследований выявлены и классифицированы основные режимы отрывного течения в канале с внезапным расширением, включая переходные и колебательные, объяснены определяющие их физические факторы.
  2. Полуэмпирическая методика расчета донного давления в канале с внезапным расширением. Она состоит из нескольких компонентов: модели первой бочки струи идеального газа, модели ударно-волновой структуры струи, интегральной модели слоя смешения на границе струи, моделей взаимодействия слоя смешения со стенкой канала и скачками уплотнения.
  3. Полуэмпирическая методика расчета геометрии элементов ударно-волновой структуры струи.
  4. Результаты численного исследования физической картины течения на нестационарных и переходных режимах.

Достоверность полученных результатов подтверждается использованием одновременно методов физического и вычислительного эксперимента, разработанной полуэмпирической методики расчета течения в канале, определением границ применимости методов, а также сравнением с результатами работ других авторов.

Практическая ценность. Проведенные исследования для канала с одиночным соплом позволили расширить по сравнению с ранними чисто экспериментальными работами представления о режимах течения. Эти данные могут быть использованы в качестве основы для объяснения свойств течений в более сложных устройствах, таких как сопловые блоки, газодинамические лазеры, проточные камеры сгорания со сверхзвуковым горением и др.

Апробация работы. Основные результаты исследований, изложенных в диссертации, докладывались и были представлены на следующих семинарах, научных конференциях и конгрессах:

  1. IX научно-техническая конференция по авиационной акустике. ЦАГИ. Суздаль. 1989 г.;
  2. XV всесоюзный семинар по газовым струям.
    Ленинград. 1990 г.;
  3. Международный симпозиум по отрывным течениям и струям (IUTAM), Новосибирск. Июль 1990 г.;
  4. Течения газа и плазмы в соплах, струях и следах. XVI всероссийский семинар. Санкт-Петербург. 18-20 Июня 1997 г.;
  5. Прикладные проблемы механики жидкости и газа. IX международная конференция ученых Украины, России, Белоруссии. Севастополь. 25-29 сентября 2000 г.;
  6. Течение газа и плазмы в соплах, струях и следах. XVIII международный семинар. С-Пб. 21-23 июня 2000 г.;
  7. Современные проблемы неравновесной газо- и термодинамики. С-Пб. 2002 г.;
  8. IV международная конференция по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ-2002)/ XIX международного семинара по струйным, отрывным и нестационарным течениям. С-Пб. 2002 г.;
  9. ХХ юбилейный международный семинар по струйным, отрывным и нестационарным течениям. С-Пб. 1-3 июля 2004 г.;
  10. XXII юбилейный семинар с международным участием. струйные, отрывные и нестационарные течения. С-Пб. 2010 г.

Результаты были использованы в ходе выполнения прикладных НИР:

  1. Исследование распространения сверхзвуковой струи в ограниченном пространстве. ЛМИ: Ленинград. 1991 г.;
  2. Физические и математические модели нестандартных и гистерезисных явлений в струйных течениях газа. БГТУ: С-Пб. 1993 г. Р5-13-2591;
  3. НИР НК-85Р. Оптимальное управление внутренним течением маневренной ракеты, оснащенной гиперзвуковым врд и изоэнтропическим воздухозаборником. 2009-2011 гг.

Публикации результатов. Содержание диссертационной работы достаточно полно отражено в 36 научных публикациях [1-36]. В работе [6] О.Н.Засухину принадлежат экспериментальные данные, В.Н.Ускову описание теории ударно-волновых процессов. В в работах [1-30] автору принадлежит теория, результаты расчета, результаты экспериментов. О.Н.Засухин участвовал в постановке расчетов и экспериментов, В.Н.Усков - в качестве научного консультанта. В остальных работах [31-36] автору  принадлежит постановка задачи, описание предметной области и анализ результатов расчетов и экспериментов.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из содержания, введения, трех глав, списка литературы, содержащего 97 наименований, двух приложений. Текст изложен на 140 страницах. Диссертация содержит 81 рисунок.

Краткое содержание работы

В первой главе даны определения донного давления, внутренних и внешних течений с внезапным расширением, течений, в которых донная область образуется свободными границами потока, течения типа «закрытый след» и «открытый след», открытой донной области, закрытой донной области, разделительной линии тока, приведен обзор ранее выполненных экспериментальных исследований.

Для характеристики струи в канале как динамической системы введено понятие дисбаланса расходов масс =(qp-qv)/Qa, поступающих в донную область (qv) из окружающей среды или из области присоединения струи к стенке канала и эжектируемых из донной области струей (qp), отнесенный к расходу рабочего газа через сопло Qa. Изучение поведения газодинамической системы в пространстве -Рд аналогично исследованию ее динамических свойств на фазовой плоскости с единственным параметром Р0. Если при заданном Р0 дисбаланс равен нулю, то система находится в стационарном положении, в противном случае донное давление изменяется (рис.3).

 Зависимость дисбаланса  от Рд и Р0. -2

Рис.3. Зависимость дисбаланса от Рд и Р0.

Во второй главе последовательно излагаются методы исследования, с помощью которых получены результаты: экспериментальные исследования, численный эксперимент, полуэмпирическая методика расчета донного давления и элементов ударно-волновой структуры струи в канале. Проведено обоснование методов исследований путем сравнения полученных с их помощью результатов между собой, а также с результатами других исследователей.

Поскольку теневые фотографии (рис.4) выполнялись на установках с плоскими прозрачными стенками, это вносило искажение в картину течения. Для ее уточнения на стационарных режимах использовались и другие методы визуализации течения, например, с помощью масляной обмазки внутренних стенок канала, а также численные расчеты в осесимметричной постановке с использованием уравнений Навье-Стокса, осредненных по Рейнольдсу (RANS).

 Типичные ударно-волновые структуры-3

Рис.4. Типичные ударно-волновые структуры в канале с ТВР. Lk>Lko. Ма=2. а) Режим ОДО, Р0=30 атм, Р0<P0I, б) Режим НАР ЗДО, Р0=40 атм, P0III>Р0>P0I, в) Минимальное Рд, Р0=60 атм, P0=P0II, г) АР, Р0=70 атм, P0>P0II, д) АР, Р0=90 атм, P0>>P0II.

Полуэмпирическая модель состоит из нескольких компонентов: модели первой бочки струи идеального газа, модели УВС струи за пределами первой бочки, интегральной модели слоя смешения на границе струи, моделей взаимодействия слоя смешения со стенкой канала и скачками уплотнения. Описанная в главе модель течения с параметрами, постоянными вдоль линий тока, применена для расчета сжатого слоя затопленной струи. Показано (ранее имелись только предположения), что висячий (падающий) скачок отражается от оси с образованием стационарной маховской конфигурации, в которой интенсивность падающего (висячего) скачка равна характерной интенсивности J0. Это позволяет вычислять положение диска Маха в струе (рис.5).

 Расчеты удаления Диска Маха. В-4
Рис. 5. Расчеты удаления Диска Маха.




В третьей главе выполнен анализ режимов течения на характерном графике зависимости Рд(Р0). На рис.6. схематично представлены графики зависимости Рд(Р0) при различных длинах канала. На графиках выделены все экспериментально обнаруженные на данный момент режимы течения и переходные процессы (ППi). Видно, что рис.6 заметно отличается от классического графика Рд(Р0), приведенного на рис.2. В основу классификации положены несколько классификационных признаков: Тип донной области (открытая ОДО или закрытая ЗДО), Автомодельность течения (автомодельные АР, неавтомодельные НАР), Характер зависимости Рд(t) от времени при Р0=const (стационарные, колебательные и переходные ПП1-4).

Экспериментально обнаружены три вида низкочастотных колебаний, следующих по мере изменения Р0 друг за другом (составные СК, псевдогармонические ПГК, релаксационные РК).

 а) б) Режимы течения в канале с-5  а) б) Режимы течения в канале с-6
а) б)
Рис. 6. Режимы течения в канале с внезапным расширением на типичном графике зависимости Рд(Р0).
1- короткие каналы, 2-средние каналы.


Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.