Введение к работе
В последние годы интенсивно развивается раздел газовой динамики, связанный с исследованием течений гетерогенных сред. Большинство используемых в настоящее время моделей полидисперсного конденсата основано на монодисперсной модели осколков дробления частиц. Серьезные проблемы связаны с учетом возможных пересечений траекторий частиц одной фракции. Наибольшие трудности этого характера имеются в областях отрывного течения, взаимодействия (близкого к нормальному) гетерогенной струи с преградой с учетом отражения частиц конденсата и ряде аналогичных задач. Традиционные траекторные подходы в многомерных задачах становятся неэффективными, приводящими к потере точности получаемых результатов.
Целью данной работы является развитие модели гетерогенной среды с переменным фракционным составом с учетом фазовых переходов на поверхности частиц и разработка эффективных вычислительных алгоритмов для двумерных нестационарных задач газовой динамики полидисперсных смесей. Особенностью представленной модели является учет полидисперсности осколков дробления частиц (в том числе в результате аэродинамического разрушения) с возможностью локального увеличения фракций конденсата, что позволяет рассчитывать течения, имеющие сложную волновую структуру со скачками уплотнения, отрывными зонами, отражением частиц от поверхности.
Актуальность рассматриваемых проблем связана с большим разнообразием технических приложений, в которых используются параметры течений гетерогенных неравновесных смесей.
Научная новизна работы:
разработана модель гетерогенной ударно-волновой среды с переменным фракционным составом с учетом фазовых переходов и полидисперсных осколков дробления частиц;
разработаны методика и алгоритм локального изменения количества учитываемых фракций, позволяющий решать задачи с пересечением траекторий частиц (в частности, в областях возвратно-циркуляционного течения);
разработаны методика и алгоритм аэродинамического разрушения жидких частиц конденсированной фазы с учетом времени индукции разрушения, изучено влияние этого фактора на параметры воздействия струи на преграду;
проведено широкое параметрическое исследование разработанной модели на тестовых задачах взаимодействия гетерогенной струи с преградами различной формы;
исследован процесс проникания охладителя в горячую струю продуктов сгорания баллиститного и смесевого твердого топлива и проведено сравнение эффективности гашения высокотемпературных струй различными способами.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
разработан программный комплекс по расчету параметров гетерогенных неравновесных потоков с переменным фракционным составом и учетом фазовых превращений для произвольной волновой структуры течения;
выработаны рекомендации по использованию моделей различной сложности в зависимости от решаемой задачи
проведено исследование течения гетерогенного потока продуктов сгорания твердого ракетного топлива (ТРТ) в двух устройствах реверса тяги, проанализировано влияние к-фазы на энергетические характеристики устройств и параметры воздействия струи на элементы конструкции по сравнению со случаем чистого газа;
разработаны рекомендации по формированию устройств гашения струй продуктов сгорания ТРТ
На защиту выносятся:
модель и программный комплекс по расчету течений гетерогенных ударно-волновых сред с переменным фракционным составом и полидисперсными осколками дробления частиц с учетом фазовых переходов и общих граничных условий отражения конденсата от поверхности;
методика и алгоритм локального увеличения числа учитываемых фракций;
методика и алгоритм аэродинамического разрушения полидисперсных частиц конденсата с учетом времени индукции разрушения;
результаты параметрического исследования разработанной модели гетерогенной среды на тестовых задачах взаимодействия двухфазной струи с преградами различной формы и рекомендации по использованию моделей различной сложности в зависимости от решаемой задачи;
результаты параметрического исследования двухфазного течения в двух устройствах реверса тяги, рекомендации по их оптимальному проектированию и применению в зависимости от траекторных условий;
результаты исследования по прониканию охладителя в струю продуктов сгорания баллиститного и смесевого ТРТ, способы интенсификации смешения охладителя со струей, позволяющие осуществить оптимальное проектирование устройств гашения высокотемпературных гетерогенных сверхзвуковых струй.
Основные результаты работы докладывались на научно-технической конференции "Приложения газовой динамики в народном хозяйстве" (г.Севастополь, 1991 г.), XIII Республиканской научно-технической конфе-
ренции "Реология гидравлически сложных систем и гидропривод в машиностроении" (г.Киев, 1991 г.), Всесоюзной школе-семинаре по пакетам прикладных программ (Крым, 1991 г.), 2-й научно-технической конференции "Прикладные проблемы механики жидкости и газа" (г.Севастополь, 1993 г.), научно-техническом семинаре "Внутрикамерные процессы в энергоустановках и струйная акустика" (г.Казань, 1993 г.), Международной конференции "Фундаментальные проблемы в аэрокосмических исследованиях" (г.Жуковский, 1994 г.), 3-й научно-технической конференции "Прикладные проблемы механики жидкости и газа" (г.Севастополь, 1994 г.); научно-техническом семинаре "Внутрикамерные процессы, акустика и диагностика" (г.Казань, 1994, 1995, 1996 гг.). Результаты проведенных исследований опубликованы в 16 печатных работах. Программные разработки автора внедрены в КБ машиностроения (г.Коломна).
Работа состоит из введения, обзора литературы, 5 глав, заключения, списка литературы из 96 наименований. Объем диссертации 172 страницы, из них 40 страниц - иллюстрации.