Управление возмущениями гиперзвукового вязкого ударного слоя с учетом реальных свойств газа тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

На правах рукописи

КИРИЛОВСКИИ СТАНИСЛАВ ВИКТОРОВИЧ

УПРАВЛЕНИЕ ВОЗМУЩЕНИЯМИ ГИПЕРЗВУКОВОГО ВЯЗКОГО УДАРНОГО СЛОЯ С УЧЕТОМ РЕАЛЬНЫХ СВОЙСТВ ГАЗА 01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

005559641

3 НДР 2015

Новосибирск - 2015

005559641

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте теоретической и прикладной механики им. С.А. Христианови-ча Сибирского отделения Российской академии наук.

Научный руководитель:

Поплавская Татьяна Владимировна - доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук.

Официальные оппоненты:

Новопашин Сергей Андреевич - доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией разреженных газов, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук.

Ершов Игорь Валерьевич - кандидат физико-математических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин)».

Ведущая организация:

Федеральное государственное унитарное предприятие «Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского»

Защита состоится .х^-ц-у^гт^с 201_£ г. б 9 часов на заседании диссер-

тационного совета Д 003.035.02 в Институте теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук по адресу: 630090, Новосибирск, ул. Институтская, 4/1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН по адресу ул. Институтская, 4/1, Новосибирск, 630090, http://itam.nsc.ru/ru/thesis/.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просьба направлять на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан «"73 » 2015~г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор техн. наук

Засыпкин И. М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Прогресс современной космической техники и совершенствование лётных характеристик сверх- и гиперзвуковых летательных аппаратов нуждается в более детальном изучении процессов развития возмущений в пограничных и ударных слоях и совершенствовании методов их управления. Возмущения, развивающиеся в пограничном слое на планере летательного аппарата, могут усиливаться и приводить к появлению ламинарно-турбулентного перехода, т.е. к существенному изменению структуры течения. Переход к турбулентному течению изменяет аэродинамические характеристики летательного аппарата, влияет на сопротивление трения, а также на величину тепловых потоков у его поверхности. Этим и определяется актуальность исследования и совершенствования методов управления возмущениями в гиперзвуковых течениях.

При высоких скоростях и температурах, сопутствующих полетам гиперзвуковых летательных аппаратов в атмосфере, в газе вокруг аппарата возникают различного рода физические явления (возбуждение и неравновесность степеней свободы молекул, диссоциация, ионизация молекул), которые относятся к реальным свойствам газа. Свойства реального газа оказывают существенное воздействие как на среднее течение вокруг летательного аппарата, так и на развитие возмущений, влияя на устойчивость и ламинарно-турбулентный переход в гиперзвуковых сдвиговых течениях. В связи с этим представляет значительный интерес исследование влияния реальных свойств газа на развитие возмущений в гиперзвуковом ударном слое, и в частности влияния колебательных степеней свободы молекул углекислого газа.

Цель II основные задачи работы. Целью работы являлось проведение исследований по управлению различными возмущениями в низко- и высокотемпературных вязких ударных слоях. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи.

1. Численное исследование эффективности интерференционного метода управления возмущениями гиперзвукового вязкого ударного слоя на пластине под углом атаки, применение интерференционного метода управления многочастотными возмущениями, комбинированный метод управления возмущениями.

2. Численное исследование влияния звукопоглощающих покрытий на интенсивность пульсаций в гиперзвуковых ударных слоях.

3. Численное исследование высокотемпературного течения в тракте аэродинамической трубы ИТ-302М с учётом возбуждения и неравновесности колебательных степеней свободы молекул углекислого газа.

4. Численное исследование эффективности метода звукопоглощающих покрытий в высокотемпературных течениях с учетом колебательной неравновесности молекул углекислого газа.

Научная новизна

1. Впервые в гиперзвуковом ударном слое на пластине под различными углами атаки численно реализован интерференционный метод управления интенсивностью пульсаций при воздействии на вязкий ударный слой внешних монохроматических акустических волн и возмущений типа вдув — отсос с поверхности пластины.

2. Впервые численно реализован интерференционный метод управления интенсивностью пульсаций в вязком ударном слое на пластине под нулевым углом атаки с акустическими возмущениями набегающего потока в спектре частот.

3. Получены новые данные о нарастании амплитуд гармоник при различных углах атаки системы пластина — кососрезный свисток.

4. Впервые численно реализован комбинированный метод управления возмущениями гиперзвукового ударного слоя с помощью интерференционного метода и метода пористых покрытий.

5. Впервые выполнено численное моделирование высокотемпературного течения в тракте аэродинамической трубы ИТ-302М с учётом возбуждения и неравновесности колебательных степеней свободы молекул.

6. Впервые численно реализовано управление возмущениями вязкого ударного слоя на пластине под углом атаки в низко- и высокотемпературном потоке с помощью метода звукопоглощающих покрытий.

Практическая ценность. Автором получены результаты, расширяющие

представления об управления возмущениями высокоскоростных вязких

ударных слоев.

1. Реализован интерференционный метод управления интенсивностью пульсаций в вязком ударном слое на пластине под углом атаки в диапазоне от 0 до 15°. Предложена математическая зависимость, позволяющая определять необходимую для подавления пульсаций в вязком ударном слое амплитуду и фазу возмущений типа вдув — отсос в зависимости от амплитуды и частоты внешних акустических волн.

2. Реализовано управление интенсивностью пульсаций в гиперзвуковом ударном слое на пластине под углом атаки более 15° с помощью метода звукопоглощающих покрытий.

3. Получены данные о параметрах потока в аэродинамической трубе ИТ-302М с учётом возбуждения и неравновесности колебательных степеней свободы молекул.

4. Выявлено влияние возбуждения и неравновесности колебательных степеней свободы молекул углекислого газа на среднее течение и развитие возмущений. Исследована эффективность метода звукопоглощающих покрытий для высокотемпературных гиперзвуковых течений углекислого газа.

Личный вклад автора. Все основные результаты работы получены при участии автора. Расчеты, представленные в первых двух главах, проводились с по-

мощью программы решения уравнений Навье - Стокса, разработанной к.ф.-м.н. А.Н. Кудрявцевым. Экспериментальные данные получены д.ф.-м.н. С.Г. Мироновым и к.ф.-м.н. И.С. Цырюльниковым. Диссертанту принадлежит: проведение расчётов по реализации интерференционного метода и метода звукопоглощающих покрытий, разработка программного модуля для учёта возбуждения и неравновесности колебательных степеней свободы молекул углекислого газа, анализ полученных результатов и их верификация.

Представление изложенных в диссертации и выносимых на защиту результатов согласовано с соавторами.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Результаты численного моделирования интерференционного метода управления интенсивностью возмущений в вязком ударном слое на пластине под углами атаки 0 < а < 15° в гиперзвуковом низкотемпературном потоке азота;

2. Результаты численного моделирования метода пористых звукопоглощающих покрытий для управления возмущениями вязкого ударного слоя на пластине под углом атаки более 15° в гиперзвуковом низкотемпературном потоке азота;

3.Расчетные данные по эффективности комбинированного метода управления возмущениями вязкого ударного слоя (объединение интерференционного метода и метода звукопоглощающих покрытий);

4. Результаты численного моделирования влияния колебательной релаксации на развитие возмущений в ударном слое на пластине, обтекаемой колебательно возбуждённым углекислым газом в условиях трубного эксперимента;

5.Данные численного моделирования эффективности подавления пульсаций давления звукопоглощающим материалом на пластине в колебательно возбужденном потоке воздуха и С02.

Достоверность результатов подтверждается их совпадением с экспериментальными данными, расчётными данными других авторов и результатами, полученными с помощью других расчётных кодов.

Апробация основных результатов. Основные результаты диссертационной работы докладывались на российских и международных научных конференциях и семинарах, в том числе на молодёжной конференции «Устойчивость и турбулентность течений гомогенных и гетерогенных жидкостей» (Новосибирск, 2008; 2010), на Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 2008; 2009; 2011), на Всероссийской конференции молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям (Кемерово, 2008; Новосибирск, 2011; Томск, 2013), на Всероссийской школе-конференции молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Новосибирск, 2008), на Всероссийской конференции молодых учёных «Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии» (Новосибирск, 2009 и 2011), на Международной

конференции «Нелинейные задачи теории гидродинамической устойчивости и турбулентность» (Москва, 2010; 2012; 2014), на Международной конференции по методам аэрофизических исследований ICMAR2010, ICMAR2012, ICMAR2014, на Международной конференции «Современные проблемы прикладной математики и механики: теория, эксперимент и практика», посвященная 90-летию со дня рождения академика H.H. Яненко (Новосибирск, 2011), на Международной научной конференции по механике «Шестые Поляховские чтения» (Санкт-Петербург, 2012), на XII Международной конференции молодых учёных «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» в рамках Всероссийской научной конференции «XXX Сибирский теплофизиче-ский семинар» (Новосибирск, 2012), на Четвёртой Всероссийской конференции «Вычислительный эксперимент в аэроакустике» (Светлогорск, 2012), на XXXIII Международной конференции «Dynamics Days Europe» (Испания, Мадрид, 2012), на Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (Алушта 2013), на 3-й немецко-российской неделе молодых исследователей «Aviation and Space» (Новосибирск, 2013), на Всероссийской конференции «Новые математические модели механики сплошных сред: построение и изучение», приуроченной к 95-летию академика JI.B. Овсянникова (Новосибирск, 2014), на 1-й Международной конференции по высокоскоростным течениям «High-Speed Flow Conference» (Китай, Пекин, 2014).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 3 глав, заключения и списка литературы из 161 ед. Объем работы составляет 115 страниц, в том числе 51 рисунок.

Публикации. Основные результаты диссертации представлены в 42 печатных работах, в том числе 5 публикаций в ведущих научных журналах из перечня ВАК.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении описаны методы управления возмущениями гиперзвукового вязкого ударного слоя. Рассмотрена актуальность задачи, сформулированы цели работы, научная новизна и практическая значимость.

В главе 1 выполнено численное моделирование интерференционного метода управления энтропийно-вихревыми возмущениями, генерируемыми в вязком ударном слое на пластине под углами атаки а < 20° под воздействием акустических возмущений набегающего потока. Суть интерференционного метода заключается в том, что запуская возмущения типа вдув — отсос с поверхности пластины в противофазе или в синфазе с внешними акустическими волнами, можно подавить или усилить пульсации в ударном слое. Рассматривается гиперзвуковое М„ = 21 обтекание азотом пластины со значениями единичного

числа Рейнольдса Reí = 6-10 1/м. Выбор параметров течения обусловлен экспериментами, выполненными в аэродинамической трубе Т-327А ИТПМ СО РАН. Результаты данной главы получены с помощью пакета, разработанного в ИТПМ СО РАН Кудрявцевым А.Н.

В п. 1.1 приведены постановка задачи, описание расчётной области и граничных условий как для моделирования стационарного обтекания пластины, так и для моделирования задачи взаимодействия вязкого ударного слоя с акустическими возмущениями и возмущениями вдув — отсос.

В п. 1.2 исследуется применение интерференционного метода управления возмущениями, генерируемыми в вязком ударном слое на пластине L = 0.1 м под углами атаки а< 15° при воздействии внешних монохроматических акустических волн с амплитудой А, частотой / и углом распространения вдоль направления потока. На рис. 1 при а = 10° показаны изолинии мгновенных пульсаций плотности, энтропии и профили среднеквадратичных пульсаций плотности в конце пластины (сечение х = 0.9L) для случаев воздействия внешними акустическими волнами, возмущениями типа вдув - отсос с амплитудой В с поверхности пластины в интервале Х\ Хг и их одновременного противофазного воздействия. Видно, что поля пульсаций, генерируемые в ударном слое внешними акустическими волнами, подобны полям, генерируемым возмущениями вдув - отсос. Профили среднеквадратичных пульсаций плотности имеют характерный вид с двумя максимумами, соответствующими положению ударной волны и верхней границы пограничного слоя. В случае противофазного запуска

Рис. 1. Изолинии мгновенных пульсаций плотности (а, б, в), энтропии (ж, з, и) и распределения среднеквадратичных пульсаций плотности в сечении х=0.9 (г, д,е): Мео=21, а = 10°,/=38 кГц, /1=0.003, В=0.6, 0.155£ - 0.17£, {а, г, ж) - внешняя акустическая

волна, (б, д, з) - возмущения типа вдув - отсос, (в, е, и) - противофазное воздействие

внешних акустических волн и возмущении типа вдув — отсос видно почти полное подавление всех пульсаций на границе пограничного слоя.

В п. 1.3 проведено исследование эффективности интерференционного метода управления возмущениями, генерируемыми в вязком ударном слое на пластине Ь = 0.24 м под нулевым углом атаки внешними акустическими волнами в спектре частот. Для моделирования воздействия многочастотных возмущений использовался спектр естественных пульсаций плотности в свободном потоке аэродинамической трубы Т-327А ИТПМ СО РАН. По экспериментальному распределению был составлен спектр возмущений для численного моделирования, начиная с частоты 5 и до 50 кГц с шагом в 5 кГц. Значения расчетных амплитуд

10

нормировались так, чтобы суммарная амплитуда равнялась А = = 0.04, что

¿=1

соответствует максимальной суммарной интенсивности пульсаций плотности в свободном потоке аэродинамической трубы Т-327А ИТПМ СО РАН.

а б в г

■41

j

■й

Т

-й

•9

0.1 <р,2>0.2

0Л <р'Ъ°-2

о

0.1 <р,3>0.2

0.1 „ „ 0.2 <р'->

Рис.2. Графики среднеквадратичных пульсаций плотности в сечении x=0.9L: М,„=21, а=0, xi + Х2= 0.155Z, -S- 0.17£, а - при взаимодействии вязкого ударного слоя с внешними акустическими волнами в спектре частот; б — с возмущениями типа вдув — отсос; в — с акустическими волнами и возмущениями типа вдув — отсос, запущенными в противофазе; г - запущенными в синфазе; пунктирная линия - граница пограничного слоя

На рис. 2 приведены среднеквадратичные пульсации плотности в сечении х = 0.9L при взаимодействии вязкого ударного слоя с внешними акустическими волнами на спектре частот, с возмущениями типа вдув — отсос, с акустическими волнами и возмущениями типа вдув-отсос, запущенными в противо- и синфазе. Также на рисунке штриховой линией изображена граница пограничного слоя. Видно подавление пульсаций плотности в случае противофазного запуска возмущений и усиление пульсаций в случае синфазного запуска.

Предложена математическая зависимость, позволяющая определять необходимую для подавления возмущений вязкого ударного слоя амплитуду и фазу возмущений типа вдув - отсос в зависимости от амплитуды и частоты внешних акустических волн в рассматриваемом диапазоне параметров.

В п. 1.4 в рамках пакета ANS YS Fluent 12.1 рассмотрено гиперзвуковое (Мм =21) обтекание системы «пластина - кососрезный свисток» с учетом геометрических параметров свистка при наличии в нем автоколебаний с целью получения данных об амплитудной и фазовой связи пульсаций в кососрезном

свистке и в ударном слое на пластине при вариации угла атаки пластины. Расчетная область представляла собой прямоугольник, в центральной части которого размещалось тело трапециевидной формы, представляющее собой модель пластины. Под пластиной помещалось тело в форме кососрезной каверны, имитирующее газодинамический свисток.

а б

Рис. 3. Экспериментальные (а) и расчетные (б) амплитуды пульсаций давления на поверхности пластины, нормированные на амплитуду основной частоты, в зависимости от угла атаки в сечении х = 0.95L для основной частоты /о (1) и первых четырех гармоник (2, 3, 4, 5): 1 -fo= 4.5 кГц, 2 -//= 2/о, 3 -/2=3/о, 4 ~/3=4/о, 5-f4=5f0, М„ = 21, Reí = 6-Ю4, L = 0.1 м

На рис. 3 изображены зависимости амплитуд пульсаций давления на основной частоте и частоте гармоник на поверхности пластины в сечении я: =0.95L. Сравнение экспериментальных данных (рис. 3,а) с расчетными (рис. 3,6) показывает хорошее качественное и даже количественное соответствие. Наблюдается рост амплитуд гармоник от угла атаки.

2-я глава посвящена исследованию влияния пористых звукопоглощающих материалов на интенсивность пульсаций давления на поверхности пластины под углом атаки а> 15°, обтекаемой гиперзвуковым (М00=21, Re! = 6x105 1/м) низкотемпературным потоком азота.

В п. 2.1 описана постановка задачи и два разных способа моделирования пористых звукопоглощающих покрытий, используемых в работе: 1-й - с помощью граничного условия на поверхности пластины, предложенного С.А. Гапо-новым и усовершенствованного A.B. Фёдоровым и моделирующего взаимодействие возмущений со звукопоглощающим материалом, и 2-й - с помощью задания конкретной геометрии и структуры звукопоглощающих вставок (геометрическая модель). В первом случае метод управления пульсациями давления был реализован с помощью пакета разработанного в ИТПМ. Во втором случае моделирование осуществлялось с помощью пакета ANSYS Fluent и рассматри-

валось воздействие на ударный слой как медленных монохроматических акустических волн, так и широкополосного шума аэродинамической трубы.

В п. 2.2 исследуется влияние звукопоглощающих покрытий на развитие возмущений в ударном слое на пластине Ь = 0.1 м под углом атаки а = 30°.

а б

Рис. 4. Среднеквадратичные пульсации давления на поверхности пластины в сечениях х~ a — 0.3L, 6- 0.95L для различных частот возмущений; 1,2 — медленные монохроматические акустические волны; 3 - широкополосный шум; (1) - пакет ИТПМ СО РАН; 2,3- пакет ANSYS Fluent

На рис. 4 приведены среднеквадратичные пульсации давления на поверхности сплошной пластины в сечениях х = 0.3L их = 0.95L при различных частотах акустических возмущений. Видно согласие данных, полученных с помощью пакета разработанного в ИТПМ и пакета ANSYS Fluent. Результаты для случая воздействия широкополосного шума согласуются с результатами для монохроматических акустических волн.

На рис. 5 приведены данные по эффективности звукопоглощающего материала в сечении х = 0.95L, полученные в экспериментах на трубе ИТ-327А ИТПМ СО РАН (кривая 1), в численном моделировании с использованием граничного условия полного поглощения акустических возмущений (символы 2) и в численном моделировании при прямом задании геометрии каналов звукопоглощающего покрытия (символы 3 и кривая 4). Звукопоглощающее покрытие располагалось в интервале от jcipot=40mm до Х2рсг=90мм. Для случая геометрического моделирования звукопоглощающего материала рассматривалось воздействие на ударный слой как монохроматических акустических волн (символы 3), так и широкополосного шума аэродинамической трубы Т-327А ИТПМ СО РАН (кривая 4).

На частотах />15 кГц звукопоглощающее покрытие ослабляет пульсации давления до 50%. На частотах ниже 15 кГц наблюдается увеличение спектральных амплитуд до значений, превышающих единицу. На этих частотах для покрытия с шириной пор Д = 4 мм помимо общего усиления наблюдаются вариации амплитуды в низкочастотной области (рис. 5,а), что, вероятно, связано с наложением падающих и отраженных волн в каналах звукопоглощающей вставки. Для покрытия с шириной пор А = 1 мм (рис. 5,6) вариации амплитуды отсутствуют вследствие сильного затухания акустических волн в узких каналах звукопоглощающей вставки.

а б

Рис. 5. Эффективность поглощения пульсаций давления в ударном слое звукопоглощающими покрытиями в сечении х = 0.951, на поверхности пластины, ширина каналов пор Д = 4 (а) и 1 (б) мм: 1 - экспериментальные данные, данные численного моделирования 2-е граничным условием на поверхности пластины, 3-е заданием геометрии звукопоглощающей вставки и воздействием монохроматической акустической волны, 4 - с заданием геометрии звукопоглощающей вставки и воздействием широкополосного шума

В п. 2.3 исследовалось влияние параметров звукопоглощающей вставки на пульсации давления на поверхности пластины. Варьировались такие параметры как ширина пор Д, длина звукопоглощающего участка, начальное и конечное положение звукопоглощающего покрытия (х!Р0Г, дг2рог). Во всех расчетах коэффициент пористости был одинаковым и равным 80%. Результаты исследований показали, что ширина пор Д в диапазоне от 1 мм до 4 мм качественно не влияет на структуру пульсаций вблизи поверхности пластины при / > 20 кГц. При изменении координаты начала покрытия структура пульсаций давления на поверхности пластины значительно изменяется. В частности, значительно меняется положение и амплитуда максимумов и минимумов вариаций пульсаций давления.

На рис. 6 для двух частот акустических возмущений / = 20 (а) и 80 (б) кГц представлены распределения среднеквадратичных пульсаций давления на поверхности сплошной пластины и пластины со звукопоглощающим покрытием в интервале от Х1рог = 40 мм до *2рог = 90 мм (случай 2) и х2рог = 240 мм (случай 3) с шириной пор 1 мм. Видно, что влияние звукопоглощающего покрытия на амплитуду пульсаций имеет локальный характер, т.е. после покрытия вниз по потоку степень влияния уменьшается, и амплитуда пульсаций нарастает. Удлинение звукопоглощающего покрытия вниз по потоку не изменяет структуру и амплитуду пульсаций на начальном участке покрытия (до х = 90 мм), но уменьшает амплитуду пульсаций вниз по потоку (х > 90 мм).

Случай 2

Случай 5

Г

Рис. 6. График среднеквадратичных пульсаций давления на поверхности: / - сплошной пластины; 2 - пластины со звукопоглощающим покрытием в диапазоне от Х1Р0Г = 40 мм до Х2°т = 90 мм; 3 — пластины со звукопоглощающим покрытием в диапазоне от Х1аà = 40 мм до дг2р0Г =240 мм; М„=21, 11с1= 1.56x103, ¿=260 мм, ГУГ0=0.25, Г0=1200 К, Л =0.02, сх=30°, Д =1 мм, а - /=20 кГц, б -^80 кГц

В п. 2.4 показана возможность эффективного применения комбинированного метода управления интенсивностью возмущений в гиперзвуковом ударном слое на пластине под углами атаки более 15°. На рис. 7 показаны среднеквадратичные амплитуды пульсаций давления на поверхности пластины. В случае применения только интерференционного метода (противофазного запуска начальных возмущений) наблюдается существенное уменьшение пульсаций плотности и давления на поверхности пластины. При помещении звукопоглощающего покрытия в область роста возмущений (от х^ = 0.5£ до Х2рог = Ь) видно, что комбинация двух методов управления дает двукратное снижение пульсаций по сравнению с применением только интерференционного метода и четырёхкратное снижение пульсаций по сравнению с возмущениями, генерируемыми внешними акустическими волнами (линия 1). Таким образом, для углов атаки 15° < а < 20° следует применять комбинированный метод управления для одновременного подавления энтропийно-вихревых возмущений интерференционным методом и подавления пульсаций давления на поверхности с помощью метода звукопоглощающих покрытий.

Рис. 7. Амплитуды среднеквадратичных пульсаций давления на поверхности пластины: М„=21, ¿=0.24 м, а=15°,/=38 кГц, А=0.003, ß=0.73: 1 - при воздействии внешней монохроматической акустической волны, 2 — при воздействии возмущения вдув — отсос, 3 — интерференционный метод воздействия; 4 - комбинация интерференционного метода и метода звукопоглощающих покрытий

В третьей главе проведено численное моделирование вязкого ударного слоя на пластине, обтекаемой высокотемпературным потоком воздуха, С02 и их смесью.

В п. 3.1 описана постановка задачи и физико-математическая модель течений релаксирующих газов, а именно двухтемпературная модель термической релаксации, где изменение колебательной энергии от времени моделируется уравнением Ландау - Теллера. Для реализации в пакете ANS YS Fluent двух-температурной модели колебательной релаксации углекислого газа был написан специальный модуль с использованием процедуры UDF (User Defined Function) и UDS (User Defined Scalar). Уравнения Навье - Стокса были дополнены уравнениями сохранения колебательной энергии каждой колебательной степени свободы молекул углекислого газа.

В п. 3.2 рассматривалось численное моделирование течения в сопловом тракте аэродинамической трубы ИТ-302М. Расчётная область была построена на основе чертежей реального тракта аэродинамической трубы ИТ-302М.

а б

Рис. 8. Распределения времени колебательной релаксации СОг (а) и температуры СО2 (б) на оси соплового тракта. 1,2,3 - время колебательной релаксации, характерное время течения и температура газа в случае равновесного течения, 4,5 - поступательно-вращательная и колебательная температуры в неравновесном течении СО2

При высоких температурах (Г0~2500 К), соответствующих течению в аэродинамической трубе ИТ-302М, в газе происходит возбуждение колебательных степеней свободы молекул. Из рис. 8,а видно, что время колебательной релаксации СОг (линия 1) при х>0.2м (х = 0 соответствует критическому сечению сопла) сравнимо с характерным временем течения в сопловом тракте трубы (линия 2) определенным как отношение локального диаметра сопла Б к локальной скорости газа и.

На рис. 8,6 приведена температура газа Т на оси соплового тракта в случае равновесного течения и две температуры газа (поступательно-вращательная Та, и колебательная Тч) в случае неравновесного течения. Видно, что вблизи критического сечения сопла (х < 0.3 м) все три температуры одинаковы, что говорит о том, что здесь реализуется равновесный случай. Далее, на выходе из сопла, газ внутренне перегрет. Таким образом, в рассматриваемом диапазоне параметров необходимо учитывать конечность времени энергообмена между колебательными и поступательно-вращательными степенями свободы молекул СО2.

Далее рассматривалось высокотемпературное течение воздуха, СО2 и их смеси (77% СО2 и 23% воздуха) в сопловом тракте аэродинамической трубы с учётом колебательной релаксации молекул углекислого газа. В таблице приведены рассчитанные параметры потока М„, рт Т„ на выходе из соплового тракта.

Параметры течения на выходе из соплового тракта

Параметры Воздух М1х С02

равновесн. неравновесн. равновесн. неравновесн.

Ро, бар 200 165 165 170 170

Г0> К 3000 2138 2138 2090 2090

М„ 9.44 7.175 7.16 6.51 6.29

Рю, Па 360 500 494 656 646

Гоо, К 214.8 311 291.1 416.6 396.4

Яе1, 1/м 11.47х105 9.83х105 10.97x105 8.49х105 9.16х105

В п. 3.3 рассматривается задача обтекания пластины, расположенной под углом атаки к гиперзвуковому потоку воздуха, СО2 и их смеси, с параметрами потока из таблицы. На рис. 9 приведены расчетные и экспериментальные данные по положению ударной волны на пластине, обтекаемой потоком воздуха при разных углах атаки пластины а = 0, 4.2°, 10.2° и С02 при а = 10.2°. Для воздуха видно согласие расчетных и экспериментальных данных для всех трёх углов атаки. Для углекислого газа видно, что положение ударной волны в случае неравновесного течения выше, чем в равновесном случае, и гораздо лучше совпадает с экспериментальными данными.

а б

Рис. 9. Экспериментальные (символы) и расчетные (линии) данные по положению ударной волны для течения воздуха (а) и углекислого газа (б): 1- а = 0 (/), 4.2° (2), 10.2° (3, 4), 1,2,3 - равновесное течение, 4 - неравновесное течение

В п. 3.4 исследуется развитие возмущений в вязком ударном слое на пластине в высокотемпературном потоке воздуха и СО2 при воздействии внешних акустических волн набегающего потока с амплитудой А, частотой/и углом распространения, совпадающим с направлением течения. На рис. 10 приведены распределения среднеквадратичных пульсаций давления на поверхности пластины для случая взаимодействия ударного слоя пластины с акустическими возмущениями медленной (рис. 10,а) и быстрой моды (рис. 10,6). Видно, что возбуждение колебательных степеней свободы молекул СО2 приводит к увеличению интенсивности возмущений по сравнению с воздухом, в котором при указанных параметрах доля колебательно возбужденных молекул мала. Однако учёт термической неравновесности СО2 (линия 3) приводит к уменьшению амплитуд пульсаций давления по сравнению с равновесным СОг, что говорит о демпфирующем влиянии колебательной релаксации на динамику возмущений.

Рис. 10. Распределения среднеквадратичных пульсаций давления на поверхности пластины: а- воздействие медленных акустических волн, б - быстрых, 1 - воздух (равновесный), 2 — СО2 (равновесный), 3 - СО2 (неравновесный случай) при Моо=6.51, Яе|=8.49х]05 1/м, 7о=2090 К, Т„=300 К, /1=0.03,/=160 кГц, а=10.2°

На рис. 11 представлено сравнение расчётных данных с экспериментальными данными по степени роста возмущений (отношение спектральных амплитуд пульсаций давления при х = 0.18 м к спектральным амплитудам пульсаций давления при х = 0.08 м) в ударном слое на пластине под углом атаки а = 10.2° в

потоке воздуха и С02. Для СО? (рис. 11 ,б) видно хорошее согласие экспериментальных и расчётных данных для быстрой моды возмущений. Для воздуха (рис. 11 ,а) видно, что экспериментальные данные согласуются с расчётами для быстрой моды до 120 кГц. Это наблюдение инициировало исследования по развитию возмущений в тракте аэродинамической трубы ИТ-302М и изучению спектрального состава возмущений.

б

рЧр'I ? р\1р\

2 -

о 40 80 120 160 ¿кГц о 40 80 120 160 ^ KJ-Ц

Рис.11. Экспериментальные (символы) и расчетные (линии) данные по величине изменения амплитуд возмущений давления вниз по потоку в ударном слое на поверхности пластины в течении воздуха (а) и углекислого газа (б): параметры течения соответствуют эксперименту (см. таблицу), a=10.2°, ЛЮ.03,1 - медленная акустическая волна, 2 - быстрая

В п. 3.5 исследуется модовый состав возмущений в сопловом тракте импульсной аэродинамической трубы ИТ-302М при истечении воздуха (параметры потока из таблицы). В импульсных аэродинамических трубах в форкамере трубы рабочий газ подогревается импульсным электрическим разрядом, который генерирует возмущения давления, соответствующие быстрым акустическим волнам. В данной главе показано, что в этом случае поле возмущений в ядре потока представляет собой суперпозицию быстрых и медленных волн, существенно различающихся по амплитуде и углам распространения. При этом быстрые акустические волны имеют значительно большую, чем у медленных акустических волн, амплитуду, что говорит о доминировании быстрых акустических волн в ядре потока.

p'Jp\

„о о

.оо

2

1 1 Г

0 40 80 120 / кГц

Рис. 12. Эффективность снижения амплитуды пульсаций давления в СОг звукопоглощающим покрытием в зависимости от частоты: 1 - эксперимент; 2 - расчет для быстрой акустической моды

В п. 3.6 исследуется эффективность метода звукопоглощающих покрытий в условиях обтекания пластины высокотемпературным потоком С02. Как и в главе 2 настоящей работы, звукопоглощающее покрытие моделировалось путём прямого задания его геометрии. А именно, в расчетную область была включена пористая вставка в виде регулярной ячеистой структуры, состоящей из поверхностей квадратного сечения, расположенных в шахматном порядке.

На рис. 12 представлены экспериментальные и расчетные данные по эффективности воздействия звукопоглощающего покрытия на поверхности пластины в потоке С02. Видно, что метод звукопоглощающих покрытий эффективно (до 10-20%) работает в колебательно возбужденных гиперзвуковых потоках углекислого газа.

В заключении сформулированы основные выводы диссертационной работы.

1. Впервые для гиперзвуковых ударных слоев на пластине при 0 < а < 15° показана эффективность интерференционного метода управления интенсивностью пульсаций, генерируемых в вязком ударном слое как монохроматическими акустическими волнами, так и акустическими волнами в спектре частот (эффективность более 60%).

2. Впервые в гиперзвуковом потоке (М00 = 21) показана высокая эффективность подавления (20-50%) пульсаций давления на поверхности пластины звукопоглощающим покрытием на частотах более 15 кГц.

3. Впервые численно реализован комбинированный метод управления интенсивностью возмущений в гиперзвуковом ударном слое на пластине под углами атаки свыше 15° и показана его эффективность (более 70%).

4. Впервые выполнены расчетные исследования динамики развития возмущений на пластине, обтекаемой гиперзвуковыми потоками смесей воздуха и углекислого газа, с учетом возбуждения и релаксации колебательных степеней свободы молекул СО2.

5. Показано, что равновесное возбуждение колебательных степеней свободы молекул СО2 приводит к увеличению интенсивности возмущений, развивающихся в вязком ударном слое на пластине, а конечное время релаксации колебательных степеней свободы молекул СОг снижает уровень пульсаций в ударном слое на пластине.

6. В высокотемпературном потоке углекислого газа получена величина снижения интенсивности пульсаций давления на поверхности пластины с помощью звукопоглощающих покрытий (10-20%).

ОСНОВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

Ведущие рецензируемые научные журналы, входящие в перечень ВАК:

1. Кириловский C.B., Поплавская Т.В., Цырюльников И.С. Исследование развития локализованных возмущений в гиперзвуковом ударном слое // Вести. Новосиб. гос. ун-та. Серия: Физика. 2010. Т. 5, вып. 3. С. 29-37.

2. Маслов A.A., Миронов С.Г., Поплавская Т.В., Цырюльников И.С., Кириловский C.B. Воздействие звукопоглощающих материалов на интенсивность возмущений в ударном слое на пластине под углом атаки // ПМТФ. 2012. Т. 53, № 2. С. 21-32

3. Кириловский C.B., Поплавская Т.В., Цырюльников И.С. Управление возмущениями гиперзвукового вязкого ударного слоя // ПМТФ. 2012. Т. 53, № 3. С. 38-47.

4. Кириловский C.B., Поплавская Т.В., Цырюльников И.С. Применение пакета ANSYS FLUENT для решения задач воздействия акустических волн на гиперзвуковой ударный слой на пластине // Математическое моделирование. 2013. Т. 25, №9. С. 32-42.

5. Кириловский C.B., Поплавская Т.В., Миронов С.Г., Цырюльников И.С. Гиперзвуковое обтекание системы пластина - кососрезный свисток // Известия Российской академии наук. МЖГ. 2013. № 6. С. 51-58.

Статьи в трудах, материалах международных и всероссийских

конференций, в сборниках научных трудов:

1. Kirilovskiy S.V., Poplavskaya T.V. Multiwave processes in a hypersonic viscous shock layer // Int. Conf. on Methods of Aerophysical Research: Abstr. Pt. II / Ed. V.M. Fomin. Novosibirsk, 2010. P. 109-110.

2. Кириловский C.B., Поплавская T.B., Цырюльников И.С. Управление возмущениями гиперзвукового вязкого ударного слоя // Шестые Поляховские чтения: Тезисы докладов Международной научной конференции по механике. Санкт-Петербург, 2012. С. 143.

3. Поплавская Т.В., Кириловский C.B. Исследование нелинейных процессов в вязком ударном слое на пластине // Материалы международной конференции «Нелинейные задачи теории гидродинамической устойчивости и турбулентность». М.: Изд-во Моск. ун-та, 2012. С. 193-195.

4. Кириловский C.B., Поплавская Т.В. Развитие локализованных возмущений в гиперзвуковом ударном слое на пластине под углом атаки // Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии: Доклады IX Всероссийской конференции молодых учёных Новосибирск, 2012. С. 126-129.

5. Кириловский C.B., Поплавская Т.В. Влияние звукопоглощающего покрытия на интенсивность возмущений в ударном слое пластины под углом атаки // Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики: Тезисы докладов XII Международной конференции молодых учёных в рамках

Всероссийской научной конференции «XXX Сибирский теплофизический семинар». Новосибирск, 2012. С. 60.

6. Poplavskaya T.V., Kirilovskiy S.V., Tsyryulnikov I.S. Evolution of multifrequen-cy disturbances in a viscous shock layer on a plate // Int. Conf. on Methods of Aerophysical Research: Abstr. Pt. II / Ed. V.M. Fomin. Kazan, 2012. P. 222-223.

7. Kirilovskiy S.V., Poplavskaya T.V. Numerical simulation of hypersonic real gas flow // XXXIII Dynamics Days Europe: Book of Abstr. of Int. Conf. Madrid, 2012. P. 241.

8. Kirilovskiy S.V., Poplavskaya T.V., Tsyryulnikov I.S. Influence of real gas properties on the evolution of disturbances in a hypersonic shock layer on a flat plate // 1st International High-Speed Flow Conference: Abstr. Beijing, 2014. P. 26.

9. Kirilovskiy S.V., Poplavskaya T.V., Tsyryulnikov I.S. Effect of excitation of vibrational degrees of freedom of molecules on the evolution of disturbances in hypersonic flows // Int. Conf. on Methods of Aerophysical Research: Abstr. Pt. II / Ed. V.M. Fomin. Novosibirsk, 2014. P. 101-102.

Ответственный за выпуск C.B. Кириловский

Подписано в печать 16.12.2014 Формат бумаги 60x 84/16, Усл. печ. л. 1.0, Уч.-изд. л. 1.0, Тираж 100 экз., Заказ № 1

Отпечатано в типографии ООО «Параллель» 630090, Новосибирск, Институтская, 4/1