Введение к работе
Актуальность темы. В связи с необходимостью разработки и создания устройств импульсной газодинамической техники решение теоретических и прикладных задач в области нестационарной газовой динамики имеет большое значение. Исследование этих явлений является актуальным в связи с важностью таких задач, как воздействие ударных волн на конструкции, запуск различного вида импульсных газодинамических устройств, использование ударных волн для решения технологических вопросов в промьшюішости. Нестационарное взаимодействие ударных волн, несмотря на многочисленные исследования, до сих пор является одной из ключевых и не решенных до конца проблем. Указанные процессы, как правило, сопровождаются образованием и взаимодействием разрывов параметров течения, что затрудняет их исследование. Аналитические методы применимы практически только в случае одномерных течений. Экспериментальные исследования многомерных нестационарных задач эффективны, но не дают полного набора параметров течения непосредственно. Некоторые из них получаются косвенным путем, что монет привнести дополнительные к эсперименталышм измерениям погрешности. Поэтому численное моделирование нестационарных течений является необходимым инструментом исследования. Расчеты дают возможность изучения течений с пока нереализованными на практике режимами. Это помогает предсказать возможное появление новых эффектов и правильно спланировать эксперимент. Численное моделирование-методом сквозного счета не требует априорных предполозхений о характере течения. Поэтому целесообразно создание проблемно-ориентированного математического обеспечения и исследование с его помощью ряда актуальных задач нестационарной газовой динамики.
Цепь работы. Создание методики, алгоритма, программного обеспечения и исследование на их основе ряда задач нестационарной газовой динамики:
дифракции ударной волны на выходе из каналов различного поперечного сечения,
взаимодействия ударной волны с плоским и криволинейным фронтами с преградами при наличии в них полости,
дифракции ударной волны на отверстии в торце ударной
трубы.
Методика исследования. Численное моделирование основано на методе С.К.Годунова. Метод модифицирован для расчета течений двух идеальных газов с различными показателями адиабаты. Реализована возмоншость использования подвижной нерегулярной сетки, адаптирувдейся к форме головной ударной волны. Для автоматизации моделирования применяется процедура выделения и классификации разрывов течения по результатам численного расчета. Предложенная методика реализована в виде програг^много комплекса с возможность» применения к широкому кругу задач нестационарной газовой динамики.
Научная новизна. Разработаны методика, алгоритм, программное обеспечение для решения задач газодинамики. На их основе для ударных волн различной интенсивности проведено исследование дифракции ударной волны на плоском прямом угле, на выходе из плоского и осесишетричного каналов, а также канала квадратного сечения в трехмерной нестационарной постановке; определена структура течения и его количественные характеристики. Исследован процесс взаимодействия ударішх волн с плоским и криволинейным фронтами с препятствиями при наличии в них полости. Определены особенности и экстремальные значения параметров такого взаимодействия, а такке влияющие на них факторы. Исследована стартовая стадия струи ударно-нагрзтого газа.
Практическая ценность. Разработанная методика может быть применена для численного моделирования широкого круга задач нестационарной газовой динамики. Полученные результаты могут быть использованы при создании устройств импульсной газодинамической техники, оценки безопасности при различного рода воздействиях ударных волн, создании технологий. Алгоритм выделения и классификации разрывов может применяться для обработки результатов численного моделирования, полученных любым методом сквозного счета.
Достоверность результатов обеспечивалась тестированием разработанных алгоритмов на известных аналитических решениях, а также посредством сопоставления результатов расчетов с экспериментальными данными.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на 14-м и 15-м Всесоюзных семинарах по газовым струям (Новосибирск, 1987, Ленинград, 1990), научно-исследовательском семинаре по численным методам аэрогидродинамики факультета вычислительной математики и кибернетики Московского государственного университета, семинарах отдела физической газодинамики института высоких температур РАН, Всесоюзном симпозиуме "Газодинамика взрывных и ударных волн, детонационного и сверхзвукового горения" (Алма-ата, 1991), 18-м и 19-м Международных симпозиумах по ударным волнам (Япония, 1991, Франция, 1993), Мездународной конференции "Свойства веществ при экстремальных воздействиях и вопросы механики сплошной среда" (Германия, 1992).
Основные результаты диссертации опубликованы в [I-I21.
Структура и обьеи работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и выводов, содержит 92 страницы, 25 рисунков, 2 таблицы и список литературы из 99 названий.