Введение к работе
Актуальность темы. Отравные течения встречаются практически во scsx технических приложениях газовой динамики. Это относится как к задачам р.чеїзнего обтекания, так и к внутренним течениям. Отрывные зоны образуется перед выступаю!, уступами, выемками на поверхности летательного аппарата (ЛА) в виде антенн, обтекателей, сопел управляющих двигателей, рулей управления и т.д. Основным свойством отрывных зоя является способность вызывать существеннее изменение давления на поверхности ЛА. Отклонение линий тока, возникновение скачков уплотнения, поверхностей разрыва, образование возвратных течений и застойных зон у поверхности ЛА может привести к значительному изменению определя-юаах его движение параметров Срастет сопротивление, падает подъемная сила, меняются характеристики теплообмена).
Существенно влияние отрыва на характеристики теплообмена. В ряде случаев наблюдается увеличение теплового потока в несколько раз по сравнении с безотрывным обтеканием. В этом случае, как правило, задача усложняется тем, что проблемы теплопередачи приходится решать с проблемами отрыва совместно.
Все перечисленные особенности отрывных течений в полной мере реализуется при сверхзвуковом обтекании выемки С каверны). Такие элементы конструкций ЛА часто встречаются в технике. Они могут образовываться щелями между облицовочными плитками теплозащитных покрытий, зазорами между сегментами обшивки самолетов, соплами управляющих двигателей и т.п. Отметим, что несмотря на имеющееся значительное количество работ-, " посвященных сверхзвуковому обтеканий выемок различной формы Сэкспериментальных и теоретических), остаются недостаточно изученными характеристики турбулентности в слое смешения выемки и, особенно, пульсационные режимы течения в выемке.
В выемке возникают также интенсивные акустические колебания, задержание как "широкополосные" мелкомасштабные пульсации давления, типичные для турбулентного сдвигового слоя (турбулентное течение в выемке), так и дискретные резонансные составляющие, частота, амплитуда и форма которых зависят от формы выемки и
параметров набегающего потока. Это явление представляет опасность для элементов конструкции, находящихся вблизи выемки, оно может также оказать неблагоприятное влияние на аэродинамические характеристики и вызвать повреждение чувствительного приборного оборудования.
Представляется что задачи моделирования перехода турбулентного слоя смешения в свободный сдвиговый слой, влияния интенсивности турбулентности на характеристики течения и моделирования нестационарных режимов в отрывных зонах являются одними из наиболее актуальных проблем газовой динамики.
Состояние вопроса. К. настоящему времени проведены многочисленные исследования с цель» добиться более глубокого понимания основных физических закономерностей, построить метод численного расчета, позволяющий адекватно рассматривать перечисленные выше особенности течения в выемке.
Задача исследования характеристик течения в выемках различной формы при обтекании их ламинарным и турбулентным потоком практически не решена и далека от своего завершения. Выполнены отдельные экспериментальные исследования ламинарных каверн. Построенный метод расчета для ламинарных сверхзвуковых течений не аппробирован по всем известным экспериментальным данным, чтобы убедится в его надежности.
Для ламинарного отрывного течения в выемке не построена физическая картина структуры течения, о котором известны некоторые, в основном, качественные характеристики. Не исследованы основные безразмерные параметры, определяющие течение в каверне. Не получены данные о нестационарных колебательных процессах, происходящих в выемке. Расчетов нестационарных режимов обтекания выемок при ламинарном характере течения в пограничном слое также недостаточно для получения картины пульсационного течения.
В качестве примеров численных расчетов нестационарных турбулентных течений в выемке можно привести исследования, выполненные в работах Хэнки и Шэнга С2-х мерный случай) и Ризетты С3-х мерный случай). В них полные уравнения Навье-Стокса решались методом Мак-Кормака. Замыкание системы уравнений осуществлялось с помощью алгебраической модели турбулентности с релаксационными поправка-
ми, учитывающими предысторию течения при периоде от пограничного слоя к свободному сдвиговому слою. И в том и в другом расчете использовались алгебраические модели турбулентности Себичи-Смита и Болдуина-Ломакса, соответственно.
Анализируя результаты исследований по турбулентным отрывным течениям в выемке следует указать следующее. Методы расчета турбулентного течения, развитые в работах Хэнки и Ркзетты. является, на наш взгляд, недостаточно аппробированными, т.к. сравнение с эксперикентом проведено по наиболее устойчивому и слабо меняющемуся для выемок параметру: относительному давлению на стенке выемки. Сравнение расчета и эксперимента для наиболее чувствительных параметров С профилей скорости и температуры) не проводилось. При этом, на наш взгляд, метод расчета работ Хэнки, Ризетты страдает еще одним важным недостатком, заключающимся в том. что этим методом, по-видимому невозможно провести расчет отравных течений при особо сильных пульсациях давления, возникающих при обтекании сверхзвуковым потоком выемок сложных геометрически:-: форм.
Экспериментальные исследования турбулентных отрывных течений в выемках страдают отсутствием необходимых для практики и анализа структуры отрывного течения характеристик: профилей скорости, температуры и интенсивности турбулентности. При этом очень важным является знание этих характеристик для турбулентного слоя смэшения, взаимодействующего с задней стенкой.
Целью диссертационной работы является исследование свойств отрывных течений на примере обтекания выемок. При экспериментальном исследовании этих свойств для решения этой задачи используется лазерный допплеровский измеритель скорости (ДДИС) (для получения уровней интенсивности турбулентности в слое смешения), при численном решении - алгоритмы КСРС с использованием алгебраической модели турбулентности.
На основе анализа приведенных замечаний, были намечены пути дальнейшего численного и экспериментального исследования ламинарного и турбулентного отрывного течения в выемках-, обтекаемых сверхзвуковым потоком, представленные в трех главах диссертации.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
проведено исследование особенностей ламинарного обтекания -выемок различной длины, исследовано влияние параметров набегающего потока на структуру отрывного течения в выемке и в слое смешения. Проведено исследование влияния длины выемки на характеристики течения внутри нее;
в рамках КСРС впервые определены характеристики пульсаций давления в выемке при нестационарном режиме течения, определены количественные характеристики основных дискретных составлявших пульсаций при изменении параметров внешнего течения, проведено сравнение о экспериментом;
построен и аппробирован метод расчета турбулентного отрывного течения базирующийся на кинетически-согласованных разностных схемах Сна примере обтекания выемки), проведено сравнение результатов расчета с данными эксперимента проведенного автором;
измерены пульсации скорости Синтенсивность турбулентности) в слое смешения 2-х и 3-х мерных выемок с использованием лазерно-допплеровского измерителя скорости.
Практическая ценность работы. Полученная методика расчета турбулентного обтекания выемки, выполненная на основе КСРС с естественной вязкостью и теплопроводностью при использовании алгебраической модели турбулентности Себичи-Смита с релаксационной поправкой учитывающей предысторию течения, может быть использована для расчета обтекания препятствий на поверхности летательного аппарата СЛА) в виде выемок, выступов, уступов и т.п. при его движении со сверхзвуковой скоростью.
Удовлетворительное согласование результатов расчета в выемке с данными физического эксперимента позволяет рассчитывать на получение адекватной картины течения при турбулентном обтекании указанных элементов конструкций на поверхности ЛА.
Таким образом, расширена граница применимости КСРС. Появляется возможность использования КСРС для расчета течений сжимаемого теплопроводного газа при больших числах Рейнольдса Rea > 10 Стурбулентный режим).
Показано, что КСРС могут быть успешно использованы для расчета сложных отрывных пульсационных течений. Результаты числен-
ного моделирования нестационарных режимов течения в выеюсе хорошо согласуются с известными экспериментальными данными как по частотным, так и по амплитудным характеристикам пульсаций давления. Особенно выгодно их применение для для течений с сильными уровнями пульсаций давления.
При экспериментальном исследовании структуры течения в выемке и в слое смешения начального участка сверхзвуковой струи получены данные о распределении скорости и интенсивности турбулентности в таких слоях смешения, возникающих во многих зонах отрыва при обтекании препятствий. Измерения проведены с использованием метода лазерной допплеровской анемометрии, являющегося одним из наиболее современных бесконтактных методов измерения указанных параметров в экспериментальной газовой динамике.
Результаты работы могут быть использованы при проведении исследований отрывных нестационарных течений в Институте прикладной математики им. М.В.Келдыша, НПО "Молния", НИИ тепловых процессов, ЦАГИ, НПО "Энергия" и др.
Дппробация работы. Основные результаты диссертации докладывались:
на конференции молодых ученых МФТИ /1987 г. /;
на научной конференции МФТИ /1988 г./;
на научно-техническом совете НИИ тепловых процессов /1989 г. /;
на научной конференции МФТИ /1989 г. /;
на научно-исследовательском семинаре под руководством профессора Е. И. Леванова в ИММ РАН /1993 г. /.
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в tl - 73.
Структура и обьем диссертации. Работа состоит из Введения, 3-х глав, заключения и списка литературы. Общий обьем диссертации включает страниц, из которых страниц занимают рисунки.
Список литературы состоит из наименований.