Численное исследование пространственного обтекания тел сверхзвуковым неравномерным потоком Коротаева, Татьяна Александровна

Введение к работе

Актуальность темы. Большой интерес к исследованию обтекания тел неоднородным потоком вызван практическим вопросом о степени влияния этой неоднородности на режимы обтекания и возможности использования для управления аппаратом и изменения его траектории. Источником возмущения потока, обтекающего тело, могут быть другие тела, что имеет место при трупповых полетах, либо при старте аппарата с носителя. Интересной также является задача о воздействии на режимы обтекания искусственно созданных областей энергоподвода. Такой источник вне зависимости от его природы воздействует на режимы пространственного обтекания тела, образуя сложную систему волн сжатия и разрежения, вплоть до существенного перестроения течения и возникновения локальных трансзвуковых зон. Это оказывает значительное влияние на характер обтекания и на перераспределение нагрузок по поверхности тела. В настоящее время подобные процессы слабо изучены как экспериментально, так и с точки зрения вычислительной газодинамики. Одной из причин этого является недостаток эффективных алгоритмов расчета обтекания пространственных тел сложной конфигурации. Поэтому крайне важно разрабатывать вычислительные алгоритмы и проводить исследования пространственного обтекания тел в следе источника возмущения для получения знаний и практических рекомендаций по использованию новых средств управления потоком. Целью диссертации является:

разработка эффективных алгоритмов расчета пространственного обтекания сложных тел;

построение математической модели обтекаемой поверхности и расчетной сетки, согласованных с методом расчета;

расширение имеющихся представлений о происходящих в потоке газа явлениях для случая, когда течения имеют пространственный характер;

опенка возможности использования локальных источников энерговыделения для управления потоком и изменения аэродинамических характеристик летательных аппаратов.

Научная новизна

1. Создан эффективный алгоритм расчета пространственного обтекания в рамках метода конечных объемов, который в сочетании с алгоритмами построения математической модели сложной поверхности и расчетной сетки в области решения позволил существенно расширить класс решаемых задач сверхзвукового обтекания тел неоднородным потоком.

2. Впервые проведено моделирование локального источника энерговыделения с использованием струйной аналогии, которое позволяет получить качественно правильную картину течения в следе за сферической областью энергоподвода, а также оценить значения суммарных аэродинамических характеристик в широком диапазоне определяющих задачу параметров.

3. Получены новые данные о влиянии локального энергоисточника на структуру потока и суммарные аэродинамические характеристики для различных по форме заостренных тел в зависимости от положения источника (как на оси перед телом, так и над поверхностью тела) при нулевых и ненулевых углах атаки.

Достоверность основных научных результатов диссертационной работы обеспечивается использованием обоснованной модели механики жидкости и газа. На протяжении всей работы проводятся сравнения рассчитанных локальных и интегральных аэродинамических характеристик с известными экспериментальными данными и результатами других авторов. Сопоставление с экспериментальными данными показывает, что предлагаемые алгоритмы расчета адекватно отражают реальные процессы для широкого класса газодинамических задач и, обладая существенной простотой, способны давать результаты вполне приемлемые для решения практически важных задач.

Научная и практическая ценность.

Результаты могут быть использованы при изучении особенностей обтекания летательных аппаратов сложной конфигурации или группы тел в неравномерном сверхзвуковом потоке и могут найти применение при проведешш НИР и при создании новых изделий в авиационной и космической технике.

На защиту выносятся: 1. Схема расчета по методу конечных объемов трехмерных уравнений

Эйлера, позволяющая получить слабо немонотонное решение в классе ограниченных функций.

2. Алгоритм восстановления поверхности по набору опорных точек на основе локального рационального сплайна, удовлетворяющий требованиям сохранения геометрической формы исходных данных, принадлежности поверхности классу С¹, эффективной реалюации на ЭВМ. Еид свободных параметров сплайна, которые изменяют степень аппроксимирующего полинома в зависимости от величины локального градиента поверхности.

3. Алгоритм построения структурных сеток по алгебраическому методу для двумерной области, одна из границ которой (принадлежащая летательному аппарату) может быть произвольной.

4. Приближенный метод определения аэродинамических характеристик пространственных тел, сочетающий численное определение положения головного скачка уплотнения и использование пшерзвуковых приближений вблизи стенки в рамках метода конечных объемов.

5. Математическая модель локального источника энергоподвода с использованием струйной аналогии.

6. Результаты исследования влияния локальной области экергоподвода на суммарные аэродинамические характеристики (волновое сопротивление, подъемную силу, момент тангажа) заостренных тел при различном расположении ее относительно исследуемой поверхности.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на:

1) Международной конференции "Математические модели и численные
методы механики сплошных сред" (Новосибирск, 1996);

2. Международной конференции по методам аэрофизичеаасх исследований (ICMAR-96) (Новосибирск, 1996);

3. Международной конференции "Сопряженные задачи механики и экологии" (Томск, 1996).

В полном объеме диссертация рассматривалась на семинаре "Теоретическая и прикладная механика" ИТПМ СО РАН под руководством чл.-корр. РАН В.М. Фомина.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 13 работах.

Структура и объем диссертации. Текст диссертации объемом 168 страниц включает введение, 4 главы и заключение. В работе 49 рисунков и 115 наименований в списке литературы.