Влияние геометрии канала на параметры импульсного недорасширенного потока тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

На правах рукописи

ЧИЖИКОВ Александр Сергеевич

ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИИ КАНАЛА НА ПАРАМЕТРЫ ИМПУЛЬСНОГО НЕДОРАСШИРЕННОГО ПОТОКА

01.04.14 - теплофизика и теоретическая теплотехника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2006

Работа выполнена в Институте теплофизики экстремальных состояний Объединенного Института высоких температур РАН.

Научный руководитель: д.ф.-м.н. В.В. Голуб

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор С.А. Медин;

доктор физико-математических наук, профессор В.В. Марков.

Ведущая организация: НИИ Спецмашиностроения

МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва.

Защита состоится "28" и о н р 2006 г. в Л часов на заседании диссертационного совета Д 002.110.02 в ОИВТ РАН по специальности 01.04.14 "Теплофизика и теоретическая теплотехника" по адресу: 125412, Москва, ул. Ижорская, 13/19, Объединенный Институт высоких температур РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИВТ РАН. Автореферат разослан "25" апреля 2006 г. /V 9. ас /

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук

<0 Объединенный Институт высоких температур РАН, 2006 © Институт теплофизики экстремальных состояний ОИВТ РАН, 2006

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертационная работа посвящена решению фундаментальных проблем газодинамики процессов истечения связанных с управлением структурой и параметрами потока за выходящей из канала ударной волной. Рассматриваются каналы с частичным перекрытием выхода и различной формой поперечного сечения.

Актуальность темы

Развитие исследований струйных течений с самого начала неразрывно было связано с необходимостью решения прикладных задач реактивной авиации и космической техники. Значительные достижения 60-70 гг. прошлого века в этой области позволили постепенно сместить центр внимания в сторону более частных вопросов — очистка поверхностей, получение стали, обработка материалов, струйное бурение грунта, интенсификация технологических процессов и т.д. К середине 80-х годов исследования газодинамики сверхзвуковых струй (в первую очередь, стационарных) достигли стадии, когда уже стали возможны первые обобЦения. Однако при решении многих практических задач необходимо не только иметь информацию о параметрах потока и его воздействии на тот или иной объект, но и знать также как управлять этим воздействием. И с этого момента в газовой динамике струйных течений происходит оформление целого научного направления, которое можно обозначить как управление структурой потока.

В настоящее время в импульсных течениях расширения не решены вопросы: как зависит время ускорения газа в канале от числа Маха в случае проникновения волн разрежения; как влияет частичное перекрытие выхода из канала и изменение его поперечного сечения на параметры потока за выходящей из него ударной волной.

Цель работы

Основной целью работы является экспериментальное и численное решение задачи управления структурой и параметрами недорасширенного потока при выходе ударной волны из канала.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Определение зависимости времени ускорения газа в осесимметричном канале от числа Маха.

2. Исследование влияния частичного диафрагмирования выхода из осесимметричного канала на структуру потока, на распределение параметров при взаимодействии с преградой и определение границы между усилением и ослаблением воздействия.

3. Установление влияния формы поперечного сечения канала на структуру и параметры потока за ударной волной.

Методы исследования

Эксперименты проводились на ударной трубе с визуализацией течения и измерением давления, а численное моделирование - решением нестационарных уравнений сжимаемого газа в форме Эйлера методом Годунова второго порядка точности. Рассматривалось изменение параметров в канале, в свободном пространстве и при взаимодействии с преградой.

Достоверность результатов

Достоверность полученных результатов проверялась сравнением данных регистрации давления, визуализации течения и численными расчётами, а также сопоставлением их с известными данными для стационарных струйных течений расширения.

На защиту выносится

1. Ускорение дозвукового течения газа при выходе ударной волны из канала.

2. Воздействие на преграду ударных волн, выходящих из частично перекрытого канала.

3. Распределение импульса давления при взаимодействии с плоской преградой.

А. Управление импульсом потока при выходе ударной волны из каналов различного поперечного сечения.

Научная новизна

Впервые исследована динамика процесса ускорения дозвукового течения газа при выходе ударной волны из осесимметричного канала. Определено минимальное число Маха волны Ма= 1.34, ниже которого дозвуковой поток в плоскости среза канала не может ускориться до скорости звука, и получена параметрическая зависимость времени установления квазистационарного течения.

Определено влияние комбинации безразмерных параметров (числа Маха, расстояния до преграды, расстояния от оси потока, степени экранирования выхода из канала, а также формы поперечного, сечения канала) на динамическое воздействие на преграду выходящей из него ударной волны и спутного потока за ней.

Практическая значимость

Результаты могут быть использованы как инструмент управления структурой потока за ударной волной при её выходе из канала. Ла основе установленных закономерностей могут быть развиты методики оценки воздействия импульсного потока на элементы конструкций, по обеспечению мер безопасности при взрывах, пути управления дальнобойностью струи и способы ослабления акустического воздействия.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах:

XXVI/XXIX академические чтения по космонавтике. Москва, 2002/05;

XIX/XX Международный семинар по струйным отрывным и нестационарным течениям. Санкт-Петербург, 2002/04;

10th International Symposium on Flow Visualization (ISFV10). Kyoto, Japan, August 26-29,2002;

23th International Symposium on Shock Waves. Hosted by The University of Texas at Arlington. July 22-27, 2001;

24th International Symposium on Shockwaves. Beijing, China, July 11-16, 2004;

21 Международная конференция. Уравнения состояния вещества. Пос. Эльбрус, 1-6 марта 2006.

Публикации

Результаты настоящей диссертации послужили материалом 7 статей в реферируемых отечественных журналах и обсуждались на 14 конференциях (как российских, так и международных).

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, включающих 13 разделов, заключения и списка литературы. Объём диссертации составляет 163 страницы. Библиография - 165 названий, рисунков - 200, таблиц - 5.

ОПИСАНИЕ СОДЕРЖАНИЯ РАБОТЫ

Введение

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, цель работы и сформулированы основные положения выносимые на защиту.

Глава I. Обзор литературы

В первой главе описано состояние работ по исследованию стационарных и нестационарных течений расширения и их воздействия на преграду. Рассматриваются общие вопросы посвящённые классификации струй, начальному участку недорасширенной струи, формированию структуры течения - за дифрагированной ударной волной, положению , фронта волны торможения в свободной сверхзвуковой недорасширенной струе, режимам взаимодействия сверхзвуковой недорасширенной струи с безграничной плоской преградой, классификации волн, поверхностей разрыва и типов отражения пристеночной ударной волны, а также задача о распаде произвольного разрыва и сверхзвуковые режимы в дозвуковых импульсных потоках.

Глава II. Методы исследования

Во второй главе описаны экспериментальный стенд, методы измерений, анализ точности измерений, а также обоснование выбора алгоритма численного расчета.

Описание экспериментальной установки и оборудования

Эксперименты проводились на ударной трубе квадратного сечения, соединенной с цилиндрической вакуумной камерой. Общий вид ударной трубы в рамках листа А1 (масштаб 1:10) показан на рис. 1. Основные сборочные единицы -камера высокого давления, канал низкого давления, вакуумная камера, расположенные на рамах с механизмами регулировки уровня. Длина камеры высокого давления 2 м (внутреннее сечение - круг диаметром 50 мм), канала низкого давления 4 м (квадрат со стороной 40 мм), объём вакуумной камеры »0.6 м3. Материал - нержавеющая сталь.

На торце ударной трубы устанавливались исследуемые насадки - круглый, квадратный, крестообразный - все с каналами постоянной геометрии и глубиной входа в трубу *95 мм. Кроме этого, торец осесимметричного насадка мог экранироваться диафрагмами, обеспечивающими различные значения степени перекрытия.

В вакуумной камере устанавливалась плоская преграда с механизмом, позволяющим варьировать расстояние от среза насадка до преграды. Плоскость преграды располагалась перпендикулярно оси истечения струи. Датчики на преграде, расположенные вдоль двух лучей под 45° с шагом по радиусу, позволяли регистрировать распределение давления на преграде в потоках, имеющих две оси симметрии. Течение визуализировалось с помощью теневого прибора ИАБ-451.

В качестве толкающего газа в диапазоне изменения числа Маха волны »1+3 использовался воздух или азот, а для генерации более сильных ударных волн -водород или гелий. Канал низкого давления и вакуумная камера заполнялись воздухом.

Особое внимание в работе уделено определению длительности процесса истечения. Поскольку, использование в качестве инструмента лабораторного исследования ударной трубы неизбежно диктует необходимость четкой идентификации рабочего времени эксперимента.

Описание программ численного расчёта (метода численного моделирования)

В связи с непрерывным увеличением возможностей ЭВМ всё большее развитие в самых разных областях науки и техники, как способ построения решений математической модели конкретной физической системы, получает численный эксперимент. Но в одном случае он является инструментом для изучения физических систем, связывающих теоретический анализ и лабораторный эксперимент, а в другом - ступенькой к лабораторному эксперименту.

Ударно-волновое движение газа описывается системой уравнений идеального (невязкого, нетеплопроводного) газа в форме Л. Эйлера, векторная запись которой в традиционных обозначениях имеет следующий вид

до -*

— + div (p-v) = О St КИ

dv v2 -* 1

•--ь grad--vx rot vH---grad P = 0.

д t 2 p

— + div [(e + .P) • v] = 0 dt

-» -

Здесь P и p - давление и плотность; v - вектор скорости; е = p (e + 0.5-v ) -полная энергия единицы объема газа; е — внутренняя энергия единицы массы. Система уравнений дополняется уравнением состояния калорически совершенного газа: Р = р-е-(к-\), к = ср/с„, е = суТ , где к - показатель адиабаты.

Алгоритм решения - метод С.К. Годунова второго порядка точности.

Глава III. Ускорение дозвукового течения газа при выходе ударной волны из канала

Предметом исследования газодинамики процессов истечения долгое время являлись в основном сверхзвуковые недорасширенные струи, поскольку с ними приходится иметь дело в реактивных двигателях и ракетной технике. Газодинамическая структура начального участка сверхзвуковой недорасширенной струи является предметом значительного количества как теоретических, так и экспериментальных исследований. Но существуют режимы, при которых изначально дозвуковой поток газа за ударной волной при выходе ударной волны из канала в свободное пространство может приобрести сложную структуру, состоящую из областей до- и сверхзвуковых скоростей, разделённых скачками уплотнения и контактными разрывами. Что представляет большой физический и практический интерес.

Данный раздел посвящен численному и экспериментальному изучению структуры течения за дифрагированной ударной волной в осесимметричной постановке задачи (рис. 2), когда поток-за стартовой ударной волной дозвуковой.

I

ш

расчётная

/

/1 /

/

направление

Рис. 2. Схема разбиения расчетной области на ячейки

Вычисляется поле параметров потока для заданного числа Маха падающей ударной волны для двусвязной области (с учётом влияния волн разрежения, распространяющихся в канале). Результаты расчета представлены в безразмерных координатах относительно параметров невозмущенного газа: давления /о и плотности Ро. Расстояния отнесены к диаметру канала <1. Безразмерное время !„оп связано с размерным / соотношением = ■ -¡Рц/ра ■

Неоспоримым преимуществом численного расчёта в данном исследовании является возможность "заглянуть" внутрь канала, что чаще всего при рассмотрении не плоскопараллельного течения, в буквальном смысле слова, остаётся "за кадром". Однако в импульсных течениях расширения эти процессы изменения параметров внутри канала не учитывать нельзя.

Управление импульсом потока пои выходе ударной волны из каналов

различного поперечного сечения

Структура нестационарного течения расширения, возникающего при выходе ударной волны из канала, зависит от формы поперечного сечения канала. И в настоящее время управление структурой потока за дифрагированной ударной волной путем изменения формы канала представляет практический интерес в широком классе приложений, например, от уменьшения шума выхлопной системы автомобиля до повышения дальности действия газового потока.

Целью данного исследования является, на примере двух чисел Маха -Мо= 1.17 и 3.0 (Ма=0.25 и 1.35), т.е. как для области дозвукового, так и сверхзвукового течения газа за ударной волной - показать возможность управления воздействием на преграду при нестационарном взаимодействии посредством изменения геометрии канала. Предпринято экспериментальное исследование поля потока за ударной волной выходящей из каналов круглого, частично перекрытого круглого, квадратного и крестообразного поперечного сечения.

В основу оценки преимуществ (недостатков) того или иного режима положена общая методология - сравнение с осесимметричным каналом; при этом расстояния от среза канала до преграды определяются из условия их равенства в эффективных калибрах. Так, для канала круглого сеченйя эффективный калибр - диаметр круга, а для каналов не осесимметричной формы - диаметр эквивалентного круга.

Схема эксперимента и расположение датчиков на поверхности преграды показаны на рис. 12.

Регистрация изменения давления на преграде несколькими датчиками, как функции радиуса, позволяет получить интегральную характеристику распределения давления. Граничными условиями здесь будут: условие симметрии при г=0 и условие конечности возмущения при г —> оо . Таким образом, выполнив интерполяцию, для каждого момента времени можно выполнить интегрирование по радиусу

ТГ^.з Конол

Вид А

Рис. 12. Схема эксперимента и расположение датчиков

Х1ж

т- Цр\г. 9.о-г-л-«/*,

оо с

На рис. 13 показано усиление воздействия на преграду слабых ударных волн диафрагмированием выхода из канала и ослабление изменением формы поперечного сечения. 1.6

1.2

Си

0.8 -1---:-1-1

' 900 1000 1100 1200 1300 1400

Ь, МКС

Рис. 13. Изменение силы давления газа на преграде при расстоянии 1.=,\с1 и радиусе интегрирования Я=0.5&. 1 - круглый канал, 2 - крестообразный, 3 и 4- частично перекрытый круглый с отношением площадей 4 и 16

Обнаружено, что при изэнтропическом расширении потока за слабой ударной волной из канала крестообразной формы избыточное воздействие на преграду до 2 раз меньше, чем в случае эквивалентного осесимметричного канала. Причина этого в диссипации энергии в трёхмерном потоке, из-за перераспределения масс газа между осями симметрии и вихреобразования при выходе их канала.

В случае же сильных ударных волн (в зависимости от формирующейся структуры потока) может наблюдаться как ослабление динамического воздействия, так и усиление. На рис. 14 показано влияние типа ударно-волновой структуры на усиление/ослабление воздействия на преграду в области сильных ударных волн.

Ои 6

900 1000 1100 1200 Ь, МКС

1300

900 1000 1100 1200 1300 t, МКС

Рис. 14. Изменение силы давления газа для двух расстояний 1= 2с1 (а) и 1_=6с) (6) на площади с Я=1.5</. Число Маха волны » 3.0:

1 - круглый канал; 2 - крестообразный

Здесь рост усиления воздействия с увеличением расстояния до преграды объясняется более полным формированием структуры начального участка. Одно из немногих физических явлений, когда при удалении от источника возмущения достигается большая эффективность. Всплеск давления при расстоянии до преграды равном 6 б вызван перестройкой течения в ядре потока, что выражается в ослаблении влияния аналога диска Маха на потери полного

давления. При этом формирующаяся структура течения характерна и для свободного потока -рис. 15. Здесь в случае канала 'х' - образной формы выигрыш в давлении (за счёт регулярного отражения

косого скачка от оси струи) в первой "бочке" приводит к формированию следующей (замыкаемую прямым скачком).

Если течение не осесимметричное, как, например, при выходе ударной волны из квадратного канала, то особенностью начальной стадии формирования структуры потока является перераспределение масс газа между осями симметрии.

Рис. 15. Расчетное изменение числа Маха (Мо=3,1т=5) вдоль оси импульсного потока:

1 - круглый канал; 2 - крестообразный

Трёхмерность течения при выходе потока из канала квадратного сечения начинает проявляться ещё в области малых чисел Маха. И наиболее отчётливо это иллюстрируют, конечно, теплерограммы процесса. С увеличением числа Маха, соответствующего уже, например, звуковому течению при срезе канала, различия в структуре потоков приобретают только более выраженный характер (рис. 16).

Рис. 16. Теневые фотографии свободной струи при М0а2\ а - круглый канал; б, в - квадратный (вид на сторону и диагональ)

Ещё большие отличия в структуре течения наблюдаются в случае канала крестообразной формы. При этом происходит постепенный переход от разлёта масс газа в направлении сторон квадрата к их соударению в направлении диагоналей, что неизбежно приводит и к изменению импульса потока. Различие в интенсивности динамического воздействия на преграду сверхзвуковых потоков для каналов квадратного и крестообразного поперечного сечения в функции расстояния от оси симметрии показано на рис. 17.

Рис. 17. Распределение импульса потока I на поверхности преграды как функции радиуса Я (от оси потока) для момента времени д'„оя = 10 от начала взаимодействия ударной волны с преградой при ¿.=6б, Мо=3.0. Значение /д определено по параметрам за отражённой ударной волной при ¿.=0, эквивалентный диаметр:

1 - квадратный канал; 2 — крестообразный с отношением сторон 7.4

Во всём исследованном диапазоне изменения параметров (чисел Маха, расстояний до преграды и отношения сторон канала) область максимального приращения импульса потока на преграде соответствует радиусу «2.5 + 3 калибра и не более, т.е. какие-либо периферийные всплески давления, вызванные удлинением лучей канала' х' - образной формы и неравномерностью потока, - отсутствуют.

Схематично влияние формы поперечного сечения канала на знак динамического воздействия импульсного потока можно представить следующей таблицей.

Таблица 1

Влияние формы поперечного сечения канала на знак динамического воздействия импульсного потока

Цель динамического воздействия Слабые ударные волны Сильные ударные волны

Усиление ® (1»в<1)

Ослабление оад ® К

Здесь: слабые ударные волны в канале - изоэнтропическое расширение, сильные УВ - расширение с образованием ударно-волновой структуры.

Сравнение экспериментальных интегральных характеристик в случае каналов круглой и квадратной формы в пределах погрешности эксперимента показало их идентичность. Когда течение сверхзвуковое, различия наибольшим образом проявляются при расположении преграды между центральным скачком и концом первой "бочки" свободной струи и с уменьшением (увеличением) расстояния сглаживаются. Принципиальные отличия свойственны лишь для структуры потоков.

При выходе ударной волны из канала крестообразного сечения в области сверхзвуковых чисел Маха формируется многобочковая структура. Динамическое воздействие на преграду при этом больше, чем в случае эквивалентного осесимметричного или квадратного канала. Сравнение расчётных интегральных характеристик в случае каналов квадратной и ' х' - образной формы, как функции отношения сторон, при сверхзвуковых числах Маха потока показало, увеличение отношения сторон приводит к усилению воздействия на преграду преимущественно в области ядра потока и с увеличением расстояния до преграды (из-за более полного формирования начального участка) эффективность динамического воздействия возрастает.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Модернизирована экспериментальная установка и разработана методика для расчёта рабочего времени процесса в случае выхода ударной волны из канала расположенного в торце ударной трубы.

2. Впервые исследована динамика процесса ускорения дозвукового течения газа при выходе ударной волны из осесимметричного канала. Определено минимальное число Маха волны М</= 1.34, ниже которого дозвуковой поток в плоскости среза канала не может ускориться до скорости звука, и получена параметрическая зависимость времени установления квазистационарного течения.

3. Определено влияние комбинации безразмерных параметров (числа Маха, расстояния до преграды, расстояния от оси потока, степени экранирования) на динамическое воздействие на преграду выходящей из него ударной волны. Обнаружено, что частичное экранирование выхода из канала приводит к увеличению давления в области ядра потока при выходе слабой ударной волны (Мох 1 +1.7) и к уменьшению давления на преграду при выходе из канала более сильной ударной волны (МоИ.7). Получены экспериментальные зависимости динамического воздействия ударных волн на преграду для осесимметричного канала в диапазоне изменения числа Маха волны 1 + 5.

4. Обнаружено, что при истечении из канала крестообразной формы сила действия в области ядра потока при дозвуковых режимах течения газа за ударной волной меньше, а при сверхзвуковых больше, чем в случае эквивалентного осесимметричного или квадратного канала. Установлено, что это связано как с диссипацией энергии при интерференции волн разрежения (сжатия), так и с потерями полного давления на скачках уплотнения в нестационарном потоке. Сравнение интегральных характеристик в случае каналов квадратной и 'х' -образной формы как функции отношения сторон при сверхзвуковых числах Маха потока показало, что увеличение отношения сторон приводит к усилению воздействия на преграду преимущественно в области ядра потока и с увеличением расстояния до преграды эффективность динамического воздействия возрастает.

5. Полученные результаты указывают на возможность управления структурой потока и распределением давления на преграде при выходе ударной волны из канала с помощью изменения его геометрии. На основе установленных закономерностей могут быть развиты методики по обеспечению мер безопасности при взрывах в туннелях, пути управления дальнобойностью струи и способы ослабления акустического воздействия.

Список основных работ по теме диссертации

1. Т.В. Баженова, Т.А. Бормотова, В.В. Голуб, А.Л. Котельников, А.С. Чижиков. Исследование взаимодействия с преградой ударной волны, выходящей ■ из каналов различной формы. Оптические методы исследования потоков: Труды VI Международной научно-технической конференции. Под ред. Ю.Н. Дубнищева, Б.С. Ринкевичюса. Москва, 27-29 июня 2001. С. 70.

2. Т.В. Баженова, Т.А. Бормотова, В.В. Голуб, А.Л. Котельников, А.С. Чижиков, С. Б. Щербак. Влияние трёхмерных эффектов на взаимодействие с преградой ударной волны, выходящей из канала. TBT, 2002, том 40, №2. С. 250.

3. Golub V.V., Bazhenova T.V., Kotalnikov A.L., and Chizhikov A.S. Amplification of the impulse of the jet behind shock wave emerging from the channel. Proceedings of 10"1 International Symposium on Flow Visualization (ISFV10) - Book of Abstracts. August 26-29, 2002, Kyoto, Japan. P. 270.

4. Т.В. Баженова, В.В. Голуб, А.Л. Котельников, А.С. Чижиков, С.Б. Щербак. Влияние частичного перекрытия канала на импульс давления выходящей из него ударной волны. Механика жидкости и газа, 2003, №2. С. 193.

5. А.С. Чижиков. Управление давлением на преграду при выходе ударной волны из канала с помощью изменения его геометрии. В сб. «Научные труды Института теплофизики экстремальных состояний ОИВТ РАН» под редакцией Фортова В.Е. и Лихачева А.П. Выпуск 6. ОИВТ РАН. Москва. 2004. С. 329.

6. T.V. Bazhenova, A.S. Chizhikov, V.V. Golub, A.L Kotelnikov. Action on the obstacle of a shock wave discharged from a partly closed channel exit Proceedings of 24*" International Symposium on Shock Waves - Book of Abstracts. Beijing, China, July 1116,2004. P. 118.

7. А.С. Чижиков, В.В. Голуб, Т.В. Баженова, С.Б. Щербак. Управление давлением в импульсном потоке при генерировании слабых ударных волн, выходящих из канала. Труды XXIX академических чтений по космонавтике. Под ред. Медведева А.К. Москва, январь 2005. С. 131.

в. Т.В. Баженова, В.В. Голуб, А.С. Чижиков. Уменьшение силы воздействия на преграду потока за слабой ударной волной, выходящей из канала. Письма в ЖТФ, 2005, том 31, вып. 12. С. 26.

9. Голуб В.В., Чижиков А.С. Воздействие на преграду ударной волны, исходящей из канала. В сб. «Физика экстремальных состояний вещества - 2006» под редакцией Фортова В.Е., Ефремова В.П. и др. Черноголовка, 2006. С. 145.

10. Чижиков А.С., Голуб В.В., Баженова Т.В., Щербак С.Б. Увеличение давления в импульсном потоке при генерировании слабых ударных волн, выходящих из . канала. Химическая физика. 2006. Т. 25. № 4. С. 26.

A.C. Чижиков

ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИИ КАНАЛА НА ПАРАМЕТРЫ ИМПУЛЬСНОГО НЕДОРАСШИРЕННОГО ПОТОКА

Автореферат

Подписано в печать 11.04.2006

Печать офсетная Уч.-изд.л. 1.5

Тираж 150 экз._Заказ № <5

ОИВТ РАН. 125412. Москва, Ижорская ул., 13/19

Формат 60x84/16 Усл. печ.л.1.39 Бесплатно

Развитие исследованиййных течений с самого начала неразрывно было связано с необходимостью решения прикладных задач реактивной авиации и космической техники. Широта и актуальность которых и по сей день являются реальным движителем многих областей науки и техники. Отчасти это и определило факт, что подавляющее большинство работ того времени посвящено исключительно сверхзвуковым режимам.

Значительные достижения 60-70 гг. прошлого века в этой области позволили постепенно сместить центр внимания с задач, связанных с авиационной и космической техникой, в сторону более частных, таких как получение стали в конверторах, струйно-плазменные процессы обработки материалов и плазменное напыление, задачи создания мощных газодинамических генераторов звука и высоких температур, струйного бурения грунта, интенсификации технологических процессов в химической промышленности и т.д. Что позволило значительно расширить область применения полученных ранее результатов.

К середине 80-х годов исследования газодинамики сверхзвуковых струй (в первую очередь, стационарных) достигли стадии, когда уже стали возможны первые обобщения [1, 2]. Однако при решении многих практических задач необходимо не только иметь информацию о параметрах потока и его воздействии на тот или иной объект, но и знать также как управлять этим воздействием. И с этого момента в газовой динамике струйных течений происходит оформление целого научного направления, которое можно обозначить как управление структурой потока. В большинстве случаев с подобной ситуацией приходится сталкиваться в областях где уже сформировались соответствующие представления и следующим шагом является поиск путей управления тем или иным параметром.

В импульсных струйных течениях расширения можно выделить два близких по газодинамической структуре класса явлений, которые отличаются друг от друга начальными условиями. В первом случае истечение происходит из сосуда высокого давления при внезапно открывающемся отверстии. Если давление в сосуде выше критического, то в отверстии устанавливается постоянная скорость истечения, равная местной скорости звука и не зависящая от перепада давлений. Скорость истечения на нестационарной стадии больше. Фронтом возмущения окружающей среды является ударная волна, а в истекающем газе возникают вихревые структуры и скачки уплотнения. Во втором случае поток создается ударной волной, выходящей из канала. Скорость потока за ней зависит от числа Маха инициирующей ударной волны. Если реализуется дозвуковой режим, то поток внутри канала, за счёт проникновения волн разрежения, ещё дополнительно ускоряется.

С ударными волнами приходится сталкиваться не только в сложных технических устройствах, но и в повседневной жизни [3], например, при работе автомобильного двигателя или сходе снежной лавины. В природе и технике существует целый ряд нестационарных газодинамических явлений, имеющих общую природу. Это и извержение вулкана, и запуск ракетного двигателя, и истечение испарившегося вещества при воздействии излучения импульсного лазера на твердое тело, и выхлоп при выстреле, и струйные выбросы из различных астрофизических объектов. Все они имеют общий физический механизм и пока мало изучены.

Темой диссертации является исследование изменения геометрии канала как способа управлением структурой потока за инициирующей ударной волной. Рассматривается случай дифракции ударной волны на угле 90° из каналов с различной формой поперечного сечения, но постоянной геометрии.

И хотя хорошо известно, что для недорасширенных потоков геометрия канала является одним из определяющих параметров истекающего газа, поиск режимов, при которых реализуется то или иное распределение параметров в потоке, по-прежнему представляет одну из актуальных задач газодинамики процессов истечения.

В настоящее время, в частности, не решены вопросы: как зависит время ускорения газа в канале, при дозвуковом истечении, в случае проникновения волн разрежения от числа Маха инициирующей ударной волны; как влияет перераспределение энергии в потоке газа при частичном отражении ударной волны от стенки, ослабленной отверстием, на распределение параметров в свободной струе и при взаимодействии с преградой; к каким изменениям в структуре течения приводит простая смена формы поперечного сечения канала, например, осесимметричного на квадратный, хотя и равной площади.

Последние два вопроса напрямую связаны с анализом потерь полного давления в импульсном потоке, это имеет большое значение для управления этими потерями. В некоторых случаях эти потери нужно уменьшать, когда требуется увеличить, например, воздействие на поверхность или дальнобойность струи. А в некоторых увеличивать, как, например, в шумопоглощающих устройствах.

Нестационарные струйные течения представляют собой сложные явления, уровень понимания которых в настоящее время отстает от потребностей современной техники, что препятствует дальнейшему развитию прикладных исследований.

Работа посвящена как вопросам взаимодействия недорасширенного потока с плоской безграничной преградой, так и некоторым вопросам формирования структуры свободной струи. Причиной такого подхода является ситуация, что в большинстве случаев невозможно представить взаимодействие с преградой, не зная тех закономерностей, которым подчинена свободная струя. Область же исследованных режимов соответствует как дозвуковому, так и сверхзвуковому течению газа за ударной волной.

Экспериментальные данные получены на лабораторной установке ударная труба, а численные - при решении нестационарных уравнений сжимаемого газа в форме Эйлера методом Годунова второго порядка точности.

Общий методологический подход, принятый за основу исследования в настоящей работе, представлен на рис. 1.

Рис. 1. Принципиальная схема исследования

Особое внимание в работе уделено определению длительности процесса истечения. Поскольку, использование в качестве инструмента лабораторного исследования ударной трубы неизбежно диктует необходимость четкой идентификации рабочего времени эксперимента.

Результаты настоящей диссертации послужили материалом 7 статей в реферируемых отечественных журналах и обсуждались на 14 конференциях (как российских, так и международных).

Основные из них:

XXVI/XXIX академические чтения по космонавтике. Москва, 2002/05;

XIX/XX Международный семинар по струйным отрывным и нестационарным течениям. Санкт-Петербург, 2002/04;

10th International Symposium on Flow Visualization (ISFV10). Kyoto, Japan, August 26-29, 2002;

23th International Symposium on Shock Waves. Hosted by The University of Texas at Arlington. July 22-27, 2001;

24th International Symposium on Shock Waves. Beijing, China, July 1116, 2004.

Содержание

Введение . 2

Обозначения . 5

Выводы

1. При дифракции ударной волны на угле 90° в случае осесиметричного канала в области дозвуковых чисел Маха потока тип отражения является нормальным и сохраняет автомодельный характер. При больших числах Маха автомодельность нарушается, тип отражения зависит от времени.

2. При выходе ударной волны из канала квадратного сечения имеет место ярко выраженная неоднородность, как дифрагированной волны, так и потока в целом. Область более сильного разрежения - диагональ квадрата. В осесимметричном случае угол отрыва потока занимает промежуточное положение по отношению к углам отрыва в направлении стороны и диагонали квадрата и наибольший угол отрыва соответствует выходу ударной волны из канала квадратного сечения в направлении стороны.

3. Исследована траектория фронта волны торможения в импульсном потоке для канала квадратного сечения в диапазоне изменения числа Маха стартовой ударной волны 2 + 4 вплоть до выхода на стационарное положение центрального скачка. На нестационарной стадии обнаружено превышение фронтом волны своего стационарного положения. Предложена аппроксимационная зависимость гД/= 0.625-Мд53 (г - осевой размер, - эквивалентный по площади диаметр круга). Сравнение положений центрального скачка уплотнения в осесимметричных и квадратных струях (из условия равенства в эффективных калибрах) показало их практическую идентичность.

4. Обнаружен режим, при котором в случае сверхзвукового истечения из канала квадратного сечения центральный скачок отсутствует - это Д,<1.3, л»1 + 10.

5. При исследовании начальной стадии взаимодействия импульсного сверхзвукового недорасширенного потока за ударной волной при истечении из насадков постоянной геометрии круглой и квадратной формы с плоской преградой эксперименты и расчеты показали, что воздействие приосевой области течения определяется потерями полного давления в волне торможения перед преградой. На расстоянии от среза канала меньшем, чем положение диска Маха в стационарной струе, зависимости полного давления на преграде от числа Маха падающей ударной волны при истечении из канала с круглой и квадратной формами поперечного сечения близки между собой. Полное давление за волной торможения на преграде на большем расстоянии от плоскости среза насадка при истечении из круглого канала больше, чем при истечении из квадратного. Это связано с тем, что в первом случае число Маха потока перед волной торможения меньше, чем во втором. С увеличением числа Маха падающей ударной волны коэффициент восстановления полного давления при истечении из канала с квадратной формой поперечного сечения уменьшается, а при истечении из канала с круглой формой поперечного сечения увеличивается. Различия при истечении из каналов с круглой и квадратной формой поперечного сечения наибольшим образом проявляются при расположении преграды между центральным скачком и концом первой 'бочки' свободной струи и с уменьшением (увеличением) расстояния сглаживаются.

6. Совпадение временных пиков на осциллограммах изменения давления при выходе ударных волн из каналов круглого и квадратного сечений подтвервдает справедливость сравнения потоков с различной геометрией каналов из условия равенства расстояний до преграды в эффективных калибрах.

7. Сравнение интегральных характеристик в случае каналов круглой и квадратной формы показало их идентичность.

8. Сравнение интегральных характеристик в случае каналов квадратной и ' х' - образной формы, как функции отношения сторон, показало, увеличение отношения сторон канала в области ядра потока приводит к усилению воздействия на преграду, но при любом отношении сторон выполняется и закон сохранения импульса.

Заключение

1. Предложена и апробирована методика для расчёта рабочего времени процесса (в дополнение к условию существования ударной волны и квазистационарной области газа за ней) в случае выхода ударной волны из канала расположенного в торце ударной трубы.

2. Впервые исследована динамика процесса ускорения дозвукового течения газа при выходе ударной волны из осесимметричного канала. Определена не только граница по числу Маха потока или инициирующей ударной волны, ниже которой дозвуковой поток в плоскости среза канала не может ускориться до скорости звука, а получена параметрическая зависимость для времени ускорения потока за счёт проникновения волн разрежения.

3. Установлено влияние частичного перекрытия выхода из осесимметричного канала постоянной геометрии на воздействие на преграду выходящей из него ударной волны. Получены экспериментальные зависимости динамического воздействия ударных волн на преграду, определяющие порог комбинации чисел Маха ударной волны, степени перекрытия и расстояния до преграды для увеличения (уменьшения) импульса давления на ней. Впервые выполнено исследование распределения параметров по радиусу. Обнаружено, частичное экранирование выхода из канала приводит к увеличению давления в области ядра потока при выходе слабой ударной волны (М0«1т-1.7) и к уменьшению давления на преграду при выходе из канала сильной ударной волны {М0>1.1). Область проявления эффекта частичного перекрытия на преграде быстро сокращаётся с увеличением радиуса и не превышает диаметра канала. Истечение дозвукового потока газа из частично перекрытого канала, как в случае свободной струи, так и при взаимодействии с преградой, носит пульсационный характер. Амплитуда пульсационной составляющей при взаимодействии с преградой может составлять величину, превышающую давление невозмущённой среды в 3-М раза.

4. Получены экспериментальные зависимости динамического воздействия ударных волн на преграду для осесимметричного канала в диапазоне изменения числа Маха ударной волны 1-5-5.

5. Показано, что сила действия потока за ударной волной, вышедшей из канала квадратного сечения, мало отличается от случая канала круглого сечения.

6. При истечении из канала крестообразной формы сила действия в области ядра потока при дозвуковых режимах течения газа за ударной волной меньше, а при сверхзвуковых - больше, чем в случае эквивалентного осесимметричного или квадратного канала. Это связано как с диссипацией энергии при интерференции волн разрежения и сжатия, так и с потерями полного давления на скачках уплотнения в нестационарном потоке и увеличением энтропии. Сравнение интегральных характеристик в случае каналов квадратной и * х' - образной формы, как функции отношения сторон, при сверхзвуковых числах Маха потока показало, увеличение отношения сторон канала приводит к усилению воздействия на преграду только в области ядра потока, закон сохранения импульса выполняется при любом отношении сторон.

7. Установленные закономерности открывают возможность управления полным давлением в потоке при выходе ударной волны из канала путем частичного перекрытия или изменения формы его поперечного сечения. На основе полученных результатов могут быть развиты пути управления" дальнобойностью струи, импульсом воздействия ударных волн на преграды применительно к ряду практических приложений, таких, как меры безопасности при взрывах в шахтах и домах, при разрыве трубопроводов, емкостей под давлением, очистка поверхностей ударными волнами, улучшение смешения при сверхзвуковом горении и для детонации в частотном режиме, при проектировании воздухозаборников, аппаратов струйных технологий и других технических объектов, а также при разработке устройств для уменьшения акустического воздействия выхлопных газов.

1. В.Г. Дулов, Г. А. Лукьянов. Газодинамика процессов истечения. Нов.: Наука, 1984.

2. Авдуевский B.C., Ашратов Э.А., Иванов А.В., Пирумов У.Г. Сверхзвуковые неизобарические струи газа. М.: Машиностроение, 1985.

3. Гласс И.И. Ударные волны и человек. М.: Мир, 1977.

4. V. Golub, Yu. Polejaev. Jets. In: International Encyclopedia of HEAT & MASS TRANSFER. Edited by G.F. Hewitt, G.L. Shires, Y.V. Polezhaev. CRC Press, Boca Raton, New York, 1997, pp. 646-649.

5. Г.Н. Абрамович. Теория турбулентных струй. М., Физматгиз, I960.

6. С. А. Чаплыгин. О газовыхъ струяхъ. Ученыя записки императорскаго московского университета. Вып. 21, 1904.

7. B.C. Авдуевский, А.В. Иванов, И.М. Карпман, В.Д. Трасковский, М.Я. Юделович. Влияние вязкости на течение в начальном участке сильно недорасширенной струи. Докл. АН СССР, 1971, т. 197, №1, с. 46-49.

8. Л.И. Кузнецов, А. К. Ребров, В.Н. Ярыгин. Высокотемпературные струи аргона низкой плотности за звуковым соплом. ПМТФ, №3, 1975, с. 82-87.

9. В.А. Иванов, Г.А. Лукьянов, И.В. Шаталов Влияние разреженности и температурного фактора на структуру и параметры сверхзвуковых недорасширенных струй одноатомного газа. ПМТФ, №6, 1987, с. 62-67.

10. V.V. Golub. Development of shock wave and vortex structures in unsteady jets. Shock Waves, N3, 1994, pp. 279-285.

11. Станюкович К.П. Неустановившееся движение сплошной среды. М.: Наука, 1971.

12. Филатов В.В. Определение структуры сверхзвуковой перерасширенной газовой струи на начальном участке. В кн.: Гидромеханика и теория упругости. Вып. 13. Днепропетровск: Днепропетровск, гос. ун-т, 1971, с. 3-11.

13. М. Ван-Дайк (Milton Van Dyke). Альбом течений жидкости и газа. М. : Мир, 1986.

14. J. Panda, R.G. Seasholtz. Measurement of shock structure and shock-vortex interaction in underexpanded jets using Rayleigh scattering. Physics of fluids, vol. 11, N12, 1999.

15. Жуков А. И. Применение метода характеристик к численному решению одномерных задач газовой динамики. Труды МИАН, 1960, 58.

16. Я. Ashkenas and F.S. Sherman, in Rarefied Gas Dynamics, edited by J.H. deLeeuw (Academic, New York, 1966), vol. 2, p. 84.

17. Жохов B.A., Хомутовский А.А. Атлас сверхзвуковых течений свободно расширяющегося идеального газа, истекающего из осесимметричного сопла. Труды ЦАГИ, 1970, вып. 1224.

18. Robertson S.J., Willis D.R. Metod-of-characteristics solution of rarefied, monatomic gaseous jet expansion into a vacuum. AIAA J., 1971, vol. 9, N 2, p. 291-296.

19. Черкез А.Я. Об одномерной теории нерасчётной сверхзвуковой струи газа. Изв. АН СССР, ОТН, №5, 1962.

20. Годунов С. К. Разностный метод численного расчёта разрывных решений уравнений гидродинамики. Математический сборник, 1959, т. 47(89), №3, с. 271-306.

21. Иванов М.Я., Крайко А.Н. Метод сквозного счёта для двумерных и пространственных сверхзвуковых течений. Журн. выч. мат. и мат. физики, 1972, т. 12, №3, с. 780-784.

22. Головачёв Ю.П., Колешко С.Б. Численные методы решения уравнений динамики жидкости и газа. 1988, 126 с.

23. Андерсон Д., Таннехилл Дж., Плетчер Я. Вычислительная гидромеханика и теплообмен. М.: Мир, 1990.

24. Г.Н. Абрамович. Прикладная газовая динамика. В 2 ч. 4.1. М. : Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1991.

25. Abbett И. The Mach disc in underexpanded exhaust plumes. AIAA Paper, 1970, №70 231.

26. Abdelhamid A.N., Dosanjh D.S. Mach disk and riman wave in underexpanded jet flows. AIAA Paper, 1969, N69 665.

27. T.B. Баженова, С.Б. Базаров, О.В. Булат, В.В. Голуб, A.M. Шульмейстер. Экспериментальное и численное исследование ослабления ударных волн при выходе из плоского и осесимметричного каналов. Механика жидкости и газа, №4, 1993. С. 204-207.

28. В.Е. Фортов, Ю.С. Соломонов, В.В. Голуб, Т.В. Баженова, Т.А. Бормотова, В. В. Володин, В. П. Ефремов, А. А. Макеич, С. Б. Щербак. Выход ударной волны в ограниченное пространство. ДАН, 2002, т. 387, №4, с. 1-3.

29. Owen, P.L., and Thornhill, С.К. The Flow in an Axially-Symmetric Supersonic Jet from a Nearly Sonic Orifice into a Vacuum. Brit., A.R.C. Technical Report, R and M 2616, 1952.

30. Love, Eugene S., and Grigsby, Carl E. Some Studies of Axisymmetric Free Jets Exhausting from Sonic and Supersonic Nozzles into Still Air and into Supersonic Streams. NACA, RML54L31, 1955.

31. Love, E.S., Grigsby, C.E., Lee L.P. Experimental and theoretical studies of axisymmetric free jets. NASA, Technical Report R-6, 1959.

32. Adamson Т.е., Nicalls J.A. On the structure of jets from highly underexpanded nozzles into still air. J. Aerospace Sciences, 1959, vol. 26, p. 16-24.

33. Истмэн Д.В., Радке JI.П. Положение прямого скачка уплотнения в выхлопном факеле струи. Ракетная техника и космонавтика, 1963, №4, с. 184-185.

34. Bowyer, J., D'Attore, L. , and Yoshihara, H. Transon aspects of hypervelocity rocket plumes. Supersonic Flow, Chemical Processes and Radiative Transfer, edited by D.B. Olfe and V. Zakkay (Pergamon Press, New York, 1964), pp. 201-210.

35. Аттори Л.Д., Хашбаргер Ф.С. Применение метода тройной точки для определения положения центрального скачка уплотнения в струе. Ракетная техника и космонавтика, 1965, №8, с. 196-197.

36. Wen S. Young. Derivation of the free-jet Mach-disk location using the entropy-balance principle. Fhys. Fluids, 1975, vol. 18, №11.

37. Дулов В.Г. О моделях потоков, аппроксимирующих свойства сверхзвуковых струйных течений. ПМТФ, 1976, №4, с. 37-60.

38. Льюис С., Карлсон Д. Положение центрального скачка уплотнения в недорасширенной газовой струе и в струе газа с твёрдыми частицами. -Ракетная техника и космонавтика, 1964, №4, с. 239-241.

39. Авдуевский B.C., Иванов А. В., Карпман И.М., Трасковский В. Д., Юделович М.Я. Течение в сверхзвуковой вязкой недорасширенной струе. -Изв. АН СССР, МЖГ, 1970, №3, с. 63-69.

40. Бауэр А.Б. Положение центрального скачка уплотнения в недорасширенных струях с частицами. РТК, 1965, №6, с.252-254.

41. Crist S., Sherman P.M., Glass D.R. Study of the highly underexpanded sonic jet. AIAA J., 1966, vol. 4, N1, p. 68-71. Рус. пер. PTK, 1966, т.4, №1.

42. Глотов Г.Ф., Фейман М.И. Исследование параметров осесимметричных недорасширенных струй газа, истекающих в затопленное пространство. Учёные записки ЦАГИ. 1971. Т.2, №4. С.69-75.

43. Мурзинов И.Н. Параметры подобия при истечении сильно недорасширенных струй в затопленное пространство. Изв. АН, МЖГ, 1971, №4, с. 143-149.

44. Анцупов А. В. Исследование параметров нерасчётной сверхзвуковой струи газа. ЖТФ. Наука, Л. 1974. Т.44, №2. С.372-379.

45. Альбазаров Б.Ш. Геометрические характеристики сверхзвуковой недорасширенной струи. Изв. СО АН СССР, 1978, №13. Сер. тех. наук, вып. 3, с. 107-111.

46. Шелухин Я. Я. Параметры подобия формы недорасширенной струи при истечении в затопленное пространство. Учёные записки ЦАГИ. 1979. Т.10, №2, с. 130-136.

47. Я. Katanoda, Y. Miyazato, М. Masuda, К. Matsuo. Pitot pressures of correctly-expanded and underexpanded free jets from axisymmetric supersonic nozzles. Shock Waves. Volume 10, Number 2, May 2000.

48. Шири Д, Себолд Д. Длина сверхзвукового ядра высокоскоростных струй. Ракетн. техн. и космонавтика, 1967, т. 5, №11. С.198-199.

49. П. А. Нешерет, И.А. Ленцов, О.Э.Шлик. Методика расчёта дальнобойности базовой сверхзвуковой струи. Газодинамика и акустика струйных течений (Сборник научных трудов). Под ред. Дулова В.Г. Новосибирск, 1987.

50. Ширен У. (W. J. Sheeran), Досанж Д. (D.S. Dosanjh). Исследование струи, истекающей из двумерного недорасширенного звукового сопла. Ракетн. техн. и космонавтика, 1968, т. 6, №3.

51. Уэрл М., Шаффер Д., Дрифтмайер Р. Центральные скачки в свободных струях. Ракетн. техн. и космонавтика, 1970, т. 8, №12.

52. Дрифтмайер Р. Корреляция параметров свободных струй. Ракетн. техн. и космонавтика, 1972, т. 10, №8.

53. Е.И. Соколов, В.Н. Усков. Экспериментальное исследование трёхмерных недорасширенных струй. Гидроаэромеханика и теория упругости. Вып. 20, 1976.

54. G. Dupeyrat. Two- and three dimensional aspects of a free jet issuing from a long rectangular slit. - Presented as Paper 135 at the Twelfth International Symposium on Rarefied Gas Dynamics, Charlottesville, Va., July 7-11, 1980.

55. Teshima K. Thee-dimensional structure of supersonic free-jets issuing from orifices with various shape. In: Proceedings of the 1989 National Symposium on Shock Wave Phenomena, Tohoku University, Japan, 1989. P. 135.

56. A.B. Омельченко, В.Н. Усков, M.B. Чернышов. Об одной приближённой аналитической модели течения в первой бочке перерасширенной струи. Письма в ЖТФ, 2003, том 29, вып. 6.

57. Дулов В.Г., Райзберг Б.А. Начальная стадия образования струи. Изв. вузов, Авиационная техника. 1961, № 4, с. 30-33.

58. Simons G.A. The large time behavior of a steady spherical source expanding into an arbitrary ambient gas. AIAA Paper, 1970, N 232.61