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 | 3 |

Физико-математические модели и численные исследования трансформации массового спектра облачных капель за высокоскоростным летательным аппаратом

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ЗДОР Александр Геннадьевич

ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТРАНСФОРМАЦИИ МАССОВОГО СПЕКТРА ОБЛАЧНЫХ КАПЕЛЬ ЗА ВЫСОКОСКОРОСТНЫМ ЛЕТАТЕЛЬНЫМ АППАРАТОМ

Специальность 01.02.05 – механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

кандидата физико-математических наук

Жуковский – 2009

Работа выполнена в НИО-8 Центрального аэрогидродинамического института имени профессора Н.Е. Жуковского (ФГУП “ЦАГИ”)

Научный руководитель:

доктор технических наук,

профессор Стасенко Альберт Леонидович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук,

профессор Кузнецов Вадим Михайлович

кандидат физико-математических наук,

доцент Федоров Александр Витальевич

Ведущая организация: ВВИА им. Н.Е. Жуковского

Защита состоится «___»__________________________________________________

на заседании диссертационного совета Д 212.125.14 при Московском авиационном институте (государственном университете) по адресу: 125993, Москва, Волоколамское шоссе, д. 4, тел. (499) 158-58-62.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ.

Автореферат разослан «___»_____________________________________________

Учёный секретарь

диссертационного совета Д212.125.14 Гидаспов В.Ю.

Общая характеристика работы.

Актуальность работы. Расчёт параметров течений вблизи поверхностей летательных аппаратов и в их следах является важной для практики задачей. Атмосфера Земли имеет сложный компонентный состав и содержит помимо газовой фазы (воздуха, паров воды) жидкое и твёрдое диспергированное вещество. К последнему относят капли конденсата разного химического состава, частицы пыли, сажи, кристаллы соли, появляющиеся в результате естественных процессов и вследствие техногенной деятельности человека. Поэтому рассматриваемые течения принадлежат к классу турбулентных многофазных полидисперсных неравновесных потоков.

Среди возможных сфер приложения результатов исследований подобных течений необходимо упомянуть экологию, метеорологию, авиацию. Действительно, в засушливых странах актуальны вопросы локального регулирования климата и управления ростом облаков и выпадением осадков. В связи с активной техногенной деятельностью человека важной задачей является экологический мониторинг атмосферы, а также диагностика/предсказание динамики и химического состава аэрозольных включений. В аэрокосмической области актуален целый ряд других вопросов. Здесь стоит упомянуть слежение за траекториями летательных аппаратов, движение которых вносит возмущения в “фоновый” аэрозоль. Это может приводить к образованию следов испарения/конденсации, а также изменению его дисперсности, которые, в свою очередь, становятся заметными в определённых диапазонах длин волн. Также практический интерес представляет оценка влияния большой массовой доли конденсата на аэродинамические характеристики аппаратов (например, посадка в дождь). Особую важность имеет задача об оценке скорости обледенения самолётов при полётах во влажной атмосфере, его влиянии на аэродинамику ЛА и выработка рекомендаций по борьбе с ним.

Теория многофазных турбулентных потоков в настоящее время ещё далека от завершения. Здесь приходится сталкиваться с моделированием большого количества разнообразных физических процессов: тепломассообмена дисперсной фазы с несущим газом, дробления капель под действием аэродинамических сил, их коагуляции/дробления при взаимных столкновениях. Каждый из них является отдельной темой для исследований и определяется рядом параметров окружающего газа, дисперсной фазы, а также безразмерными критериями. Даже при условии, что многие из них детально изучены и описаны, из-за сильной неоднородности рассматриваемых течений оказывается очень сложным предсказать доминирующий процесс в данной пространственно-временной точке. Поэтому представляет интерес построение синтетических моделей динамики многофазных потоков, где все упомянутые выше явления принимаются в учёт. К сожалению, экспериментальные данные, касающиеся исследования течений этого класса, крайне скудны. Методы численного моделирования и современные мощности ЭВМ позволяют в некоторой степени улучшать ситуацию и получать данные о поведении многофазных потоков.

Цель работы: Построение синтетической физико-математической модели эволюции полидисперсного двухфазного течения, создание численного кода и теоретические и методические численные исследования изменения дисперсности и динамики капель водного конденсата при обтекании модельной конфигурации ЛА высокоскоростным потоком.

Главными задачами работы являлись:

1. Анализ современного состояния исследований многофазных полидисперсных потоков.

2. Выбор математических моделей для описания физических явлений, происходящих с частицей конденсата: фазовых переходов, теплообмена, обмена импульсом с несущим газом.

3. Выбор модели эволюции ансамбля частиц дисперсной фазы, взаимодействующих с несущим газом и друг с другом.

4. Выбор, сравнительный анализ и дальнейшая разработка моделей взаимодействия дисперсной фазы с турбулентной несущей средой.

5. Построение синтетических моделей эволюции полидисперсного конденсата.

6. Создание в рамках метода «крупных частиц» численных кодов для расчёта течений газа и дисперсной фазы и отладка программ.

7. Методические численные исследования обтекания модельной конфигурации ЛА и его ближнего следа для разных режимов «на бесконечности» и разных комбинаций учитываемых эффектов.

8. Анализ численных результатов и определение диапазонов влияния параметров. Оценка важности учёта отдельных физических эффектов.

9. Оценки адекватности использованных физических моделей и результатов численного анализа.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Предложена синтетическая модель эволюции полидисперсного двухфазного потока.

2. На её основе созданы численные коды для расчёта эволюции полидисперсного многофазного потока вблизи поверхности обтекаемого аппарата и в его ближнем следе.

3. В серии параметрических расчётов обтекания модельной конфигурации ЛА проведена апробация этих программ. Получены пространственные распределения экстенсивных (числовые и массовые концентрации) и интенсивных (скорости, температуры и радиусы капель) параметров состояния фракций полидисперсного конденсата в потоке.

4. Исследовано влияние угла атаки и числа Маха набегающего потока на картину обтекания модельной конфигурации ЛА двухфазным полидисперсным потоком. Рассмотрено влияние процессов коагуляции/дробления капель при взаимных столкновениях на трансформацию массового спектра конденсата вблизи поверхности тела и в следе.

5. Проведён сравнительный анализ стохастических параметров дисперсных включений в турбулентности, рассчитываемых по разным моделям. В соавторстве с И.В. Деревичем предложена замкнутая система уравнений для расчёта корреляций флуктуаций скорости частиц по траекториям и зависимости коэффициентов их диффузии от параметров турбулентности, скольжения и инерционности. В рамках диффузионной модели с учётом скоростного скольжения фракций проделаны оценки частот взаимных столкновений капель.

Достоверность результатов исследования обеспечивается тем, что все элементы предложенной синтетической модели прошли ранее серьёзную апробацию. Это касается, прежде всего, коэффициентов взаимодействия отдельных капель с несущей средой в широком диапазоне чисел Маха, Рейнольдса, Вебера, Лапласа, Нуссельта, Шервуда. Далее, это относится и к моделям кинетики сталкивающихся капель, развитых в научных школах Москвы, Киева, Томска. Наконец, это относится и к многочисленным тестам и широкому опыту использования в разных задачах избранного для численных исследований метода «крупных частиц» в режиме установления.

Практическая ценность работы состоит в том, что созданные на основе синтетической модели программы расширяют возможности численного анализа эволюции полидисперсных двухфазных течений вблизи поверхности ЛА и в его следе. Программы позволяют проводить устойчивые сквозные расчёты полей основных характеристик фракций дисперсной фазы с учётом целого ряда различных физических явлений без предварительного выделения доминирующего эффекта. Результаты вычислений могут служить входными данными для упрощённых моделей расчёта течения в дальнем следе, а также позволяют оценивать потоки массы и тепла к обтекаемой поверхности, обусловленные наличием в потоке диспергированного вещества. Кроме того, расчётные данные можно использовать для верификации более сложных численных кодов.

Положения, выносимые на защиту:

  • Синтетическая модель эволюции полидисперсных двухфазных течений, учитывающая ряд физических процессов: фазовые переходы, коагуляцию, дробление капель.
  • Результаты верификации созданных численных кодов, позволяющих проводить исследования полидисперсных многофазных потоков в широком диапазоне параметров вблизи поверхностей тел и в следах.
  • Результаты серии параметрических расчётов обтекания модельной конфигурации ЛА сверхзвуковым полидисперсным двухфазным потоком для случая частиц водного конденсата. Исследования закономерности влияния различных параметров (числа Маха набегающего потока, угла атаки, числовой концентрации дисперсной фазы в набегающем потоке) на картину течения.
  • Результаты численных исследований влияния процессов коагуляции на трансформацию массового спектра капель в ударно-волновой картине обтекания ЛА.
  • Предложенная (в соавторстве с И.В. Деревичем) замкнутая модель, позволяющая рассчитывать стохастические параметры инерционных частиц в однородной изотропной турбулентности в рамках подхода Лагранжа и сравнение получаемых по ней характеристик с результатами других моделей.

Апробация работы. Результаты выполненных исследований докладывались и получили положительную оценку на следующих конференциях и семинарах:

  1. Научные конференции МФТИ: XLVI (2003 г.), XLVII (2004 г.), XLVIII (2005 г.), XLIX (2006 г.), L (2007 г.), LI (2008 г.).
  2. Юбилейный международный семинар по струйным, отрывным и нестационарным течениям, Санкт-Петербург, 2004 г.
  3. Международная научно-техническая конференция «Фундаментальные проблемы высокоскоростных течений», Жуковский, 2004 г.
  4. Академические чтения по космонавтике («Королёвские чтения»), Москва: XXIX (2005 г.), XXX (2006 г.), XXXI (2007 г.), XXXII (2008 г.), XXXIII (2009 г.).
  5. Научно-техническая школа-семинар «Современные проблемы аэрокосмической науки и техники» в рамках 2-ой Международной выставки авиационно-технического творчества молодёжи «ЮниМАКС-2005» и «Вузовская наука», Жуковский, 2005 г.
  6. IX Международный симпозиум «Актуальные проблемы машиностроения и механики сплошных и сыпучих сред», Москва, 2006 г.
  7. VI Международная конференция по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ-2006), Санкт-Петербург, 2006 г.
  8. XVI Школа-семинар молодых учёных и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева, Санкт-Петербург, 2007 г.
  9. Международный авиационно-космический научно-гуманитарный семинар имени С.М. Белоцерковского, Москва, 2007 г.
  10. Научно-технический семинар НИО-8 ЦАГИ, Жуковский, 2007 г.
  11. VI Минский Международный Форум по Тепломассообмену, Минск, 2008 г.

12. 7-ой семинар ЦАГИ-ONERA, Жуковский, 23-26 сентября 2008.

13. Семинар по аэродинамике ЦАГИ-ИТПМ, Жуковский-Новосибирск, 18 ноября 2008.

Публикации. Материалы диссертационной работы изложены в 20-ти печатных работах, 11 из них выполнены без соавторов.

Структура и объём диссертационной работы. Работа состоит из введения, трех глав, заключения, библиографического списка использованной литературы (114 названий), 46 рисунков, 6 таблиц. Общий объём работы составляет 174 страницы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ

Во Введении отмечается существенное научное и практическое значение исследований эволюции многофазных полидисперсных течений. Большинство опубликованных в настоящее время работ, статей и монографий по этим вопросам касается течений газа с дисперсной примесью в виде твёрдых частиц или капель жидкости в соплах и каналах. Как правило, основной интерес в них концентрируется на вопросах смесеобразования, выпадения конденсата на стенки, эрозии обтекаемых поверхностей. Данная работа посвящена исследованию эволюции двухфазного полидисперсного потока, возникающего при обдуве летательного аппарата воздухом, содержащим диспергированное вещество. Наибольший интерес представляло построение синтетической модели, учитывающей эффекты тепломассообмена частиц конденсата с несущим газом и коагуляции/дробления при их взаимных столкновениях и расчёты на её основе. Это позволило анализировать степень влияния отдельных физических эффектов и получить информацию о воздействии газодинамических возмущений на дисперсность конденсированной фазы. На основании получаемых в расчётах данных можно следить за эволюцией капель конденсата во всём поле течения и исследовать трансформацию их массового спектра в ближнем и дальнем следе летательного аппарата.

Первая глава носит обзорный характер. В ней отмечен весомый вклад различных научных школ в изучение физики явлений и построение математических моделей полидисперсных многофазных потоков. Также в первой главе определяется объект исследования: сверхзвуковое обтекание ЛА полидисперсным двухфазным потоком с совместным учётом ряда физических эффектов: силового воздействия течения на капли, фазовых переходов, коагуляции, дробления частиц под действием аэродинамических сил и при взаимных столкновениях.

Вначале рассмотрены основные результаты теоретического и экспериментального изучения «элементарных» физических процессов в одиночной частице, полученные несколькими коллективами. Проведён анализ и сравнение часто применяемых на практике зависимостей, аппроксимирующих потоки тепла и массы к поверхности капли в различных случаях: для континуального и свободномолекулярного пределов, а также некоторые интерполяции на промежуточные значения числа Кнудсена. При численных исследованиях многофазных потоков для континуального режима (верхний индекс «») использовались зависимости:

, ,

, ,

, .

Здесь – радиус капли, – её среднеобъёмная температура, – температура и коэффициент динамической вязкости несущего газа, – число Рейнольдса обтекания капли, – локальная массовая концентрация водяного пара, – плотность насыщенных паров воды при температуре , вычисляемая по формуле Клапейрона-Клаузиуса. Отмеченные верхним индексом «» параметры газа соответствуют условиям адиабатического восстановления. Свободномолекулярный режим (верхний индекс «») тепломассообмена характеризовался следующими выражениями для полных потоков:

,

,

, .

Здесь приняты следующие обозначения:

,

,

– отношение удельных теплоёмкостей несущего газа, число Маха обтекания капли, – коэффициенты конденсации и аккомодации по энергии, – удельная газовая постоянная водяного пара. В качестве интерполяции на промежуточные значения чисел Кнудсена использовалась формула типа «параллельных проводимостей»:

, .

Также рассмотрены разные виды сил, действующих на частицы конденсата со стороны несущей среды (аэродинамическое сопротивление , сила Сэфмана ), и возможные варианты их аппроксимации. Для силы аэродинамического сопротивления использовалась зависимость:

,

где – локальные скорости газа и частицы, – плотность несущего газа, – коэффициент сопротивления. При расчётах зависимость коэффициента сопротивления от параметров для континуального и свободномолекулярного режимов обтекания капли определялась согласно:

, .

На основании обработки опытных данных для учёта температурной неравновесности несущего газа и дисперсной фазы при численном анализе использовано “правило 1/3”, согласно которому по-прежнему употребляется стандартная кривая , но при нахождении числа Рейнольдса появляется специфика: используется локальная плотность газа в потоке, а коэффициент молекулярной вязкости берётся при новой температуре :

,

где совпадает с локальной температурой газа при дозвуковом обтекании капли и равняется температуре за прямым скачком уплотнения при сверхзвуковом. Для свободномолекулярного режима принималось:

,

где – коэффициент аккомодации молекул пара по нормальной компоненте импульса. В качестве интерполяции на промежуточные значения числа Кнудсена использовалась формула суммы «параллельных проводимостей»:

.

Для силы Сэфмана, существенной вблизи поверхности обтекаемого тела, использована зависимость:

,

где – единичные касательный и нормальный векторы к поверхности тела, – касательная составляющая скорости несущего газа.



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 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.