Введение к работе
Актуальность темы. При полете летательного аппарата на больших высотах в результате взаимодействия струи маршевого двигателя с обтекающим потоком воздуха на его боковой поверхности возникает область отрывного течения, увеличивающаяся с подъемом аппарата. С образованием отрыва давление на боковой поверхности аппарата существенно возрастает, что при полете ЛА под углом атаки может вызывать образование аятидемпфйрую-щего момента из-за несимметричности расположения отрывной области на наветренной к подветренной сторонах аппарата. Попадание в отрывную область рулей управления и стабилизаторов уменьшает возможности маневрирования и может вызвать нарушение устойчивости полета. Это обуславливает актуальность определения газодинамических и геометрических характеристик отрывного течения на больших высотах (при больших степенях нерас-четности струи).
С другой стороны, в отрывную область попадают недогорев-пне продукты горючего маршевого' двигателя, перемешиваются с воздухом и догорают, вызывая повышение температуры газа в отрывной области и увеличение теплового потока к прилегающей поверхности аппарата. Светимость отрывной зоны и факела маршевого двигателя может использоваться для идентификации класса летательного аппарата. Это делает актуальным вопрос об определении количества газа струи, поступающего в отрывную область.
Проведенные до настоящего времени экспериментальные и теоретические исследования бокового отрыва, вызванного выхлопной струей, по техническим причинам были выполнены в основном при небольших степенях нерасчетности струи маршевого двигателя п (п=Рд/ра - отношение давления на срезе сопла к давлению в избегающем потока), причем в расчетах в основном использовались упрощенные математические модели явления.
Целью работы является математическое моделирование бокового отрыва, вызванного взаимодействием спутного потока и струи маршевого двигателя,, которое включает в себя разработку математической модели явления, создание метода, и программы расчета струйных и отрывных .течений в широком диапазоне параметров задачи, проведение исследований указанного явления, выявление характера отрывною течения .при больших- степенях
нерасчетности струи, механизма попадания газа струи в отрывную зону, установление зависимостей гвзодинамичемких и геометрических характеристик отрывной зоны от определяющих параметров задачи в их широком диапазоне.
Новизна работы заключается в следующем:
-
Предложена математическая модель отрывного течения, вызванного струей на основе полных уравнений Навье-Стокса, дополненных уравнениями переноса концентрации;
-
Созданы метод и программы расчета отрывных течений, вызванных струей маршевого двигателя при больших степенях нерасчетности г; до IG6. Предложены явная, неявно-явная и неявная модификации этого метода, позволяющие вести расчет в диапазоне чисел Рейнольдса от 30 до кЮООО с числами Куранта, доходящими до 25.
-
Проведены исследования явления в широком диапазоне определяющих параметров задачи: степени нерасчетности, числа Рейнольдса спутного потока, показателя адиабаты струи, температуры газа струи на срезе сопла, чисел Маха спутного= потока и струи на срезе сопла. Установлены зависимости газодинамических и геометрических характеристик отрывной зоны от этих параметров.
-
Обнаружены 3 режима отрывного течения: закрытый, открытый и периодический, причем два последних режима обнаружены впервые. При закрытом режиме отрывная, зона изолирована от струйного течения, при открытом режиме отрывная зона имеет канал конвективного обмена массой со струйным течением, при периодическом режиме фаза закрытой зоны чередуется с фазой открытой зоны.
-
Проведен анализ возможностей приближенного моделирования отрывных течений и даны рекомендации по коррекции параметров задачи при приближенном моделировании.
Практическая значимость. Разработанные численные методы могут быть использованы для"расчета широкого круга задач газодинамики, в частности, струйных и отрывных течений, сверхзвукового обтекания тел. Результаты параметрических исследований отрывного течения, вызванного выхлопной струей двигателя, и рекомендации по коррекции определяющих параметров при экспериментальном моделировании отрыва с неполным соблюдением параметров подобия могут быть использованы при разработках
перспективных ЛА.
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались на научно-технических конференциях ШЛИ 1990 -1994гг., на семинарах в НПО "Энергия", ЦНИИМаш, ВЦ РАН, ЦИАМ, ИПрс-олем Механики, а также опубликованы в двух печатных работах и 4 НТО.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы и содержит 195 страниц машинописного текста и 112 рисунков. В списке литературы 103 наименования.