Введение к работе
Актуальность темы. Изучение воздействия сверхзвукового потока газа с примесью частиц на обтекаемую поверхность представляет большой интерес для задач аэродинамики летательных аппаратов, в частности, преодоления участков с различными естественными и искусственными образованиями, конструирования ракетных двигателей, задач резки материалов и нанесения покрытий В то же время мощность современных вычислительных систем позволяет осуществить численное моделирование двухфазного потока с учетом неоднородности примеси, взаимодействия частиц между собой, воздействия примеси на течение несущей фазы и поверхность находящегося в потоке тела, изменения формы тела Разработка комплекса алгоритмов численного моделирования эрозионного разрушения материалов в запыленных потоках с учетом обозначенных факторов представляет большой практический интерес, что обусловлено высокой сложностью получения и анализа результатов при проведении стендовых и натурных экспериментов
Цель работы.
-
Анализ современных подходов к численному моделированию двухфазных потоков и эрозионного разрушения тел
-
Построение математической модели динамики двухфазного ударного слоя и комплексной модели теплового и эрозионного воздействия запыленных потоков на обтекаемую поверхность
-
Разработка алгоритмов численного моделирования обтекания тел двухфазным потоком с учетом взаимного влияния ряда разнородных факторов - воздействия дисперсной фазы на картину течения и на обтекаемую поверхность, теплопереноса и эрозионного разрушения теплозащитного материала, изменения формы обтекаемого тела вследствие уноса массы и его влияния на течение в ударном слое
-
Реализация моделей и алгоритмов в виде комплекса программ
-
Численное исследование воздействия дисперсной фазы на обтекаемую поверхность и характеристики ударного слоя, разрушения материалов в двухфазном потоке
Научная новизна.
Построена комплексная математическая модель теплового и эрозионного воздействия сверхзвукового запыленного потока на обтекаемое тело, в состав которой входят модифицированная модель теплопереноса и эрозионного разрушения преграды и модель двухфазного ударного слоя, основанная на сопряжении моделей динамики дисперсной фазы и газовой динамики ударного слоя
Разработаны алгоритмы прямого численного моделирования движения примеси в ударном слое с учетом отражения частиц от преграды, их закрутки и соударений друг с другом, алгоритмы решения уравнений газовой динамики ударного слоя с учетом обратного влияния примеси, алгоритмы моделирования разрушения поверхности преграды под воздействием двухфазного потока
На основе разработанного аппарата математического моделирования выполнена оценка значимости учета вращения частиц и их столкновений друг с другом с точки зрения воздействия дисперсной фазы на поверхность обтекаемого тела Осуществлено детальное изучение механизмов усиления теплообмена на поверхности затупленных тел вследствие гетерогенности набегающего потока Проведено разделение конвективной составляющей, связанной с диссипацией кинетической энергии частиц при движении в ударном слое, и ударной составляющей, обусловленной потерей кинетической энергии частиц при их соударении с поверхностью, и исследован вклад этих составляющих при различных определяющих параметрах Выполнен анализ влияния столкновений частиц и обратного влияния примеси на несущую среду Рассмотрено обратное влияние изменения геометрии преграды на параметры двухфазного ударного слоя и ход процесса разрушения
Достоверность и обоснованность результатов диссертационной работы обеспечивается использованием общепринятой методологии исследований в области прикладной математики
выполнение в математических моделях фундаментальных законов сохранения массы, импульса, момента импульса, энергии,
оценка принимаемых допущений при построении математических моделей,
физическая объяснимость получаемых результатов,
качественное и количественное согласование получаемых результатов с результатами экспериментов и решений подобных задач другими авторами
Практическая ценность. Разработанный комплекс моделей, алгоритмов и программ позволяет проводить численное моделирование обтекания и разрушения тел двухфазным потоком и получать детальную картину механизмов интенсификации теплообмена и эрозионного разрушения конструкций в сверхзвуковых запыленных потоках Полученные данные вычислительных экспериментов позволяют выявить структуру гетерогенного потока вблизи обтекаемого тела, изучить влияние на параметры тепломассообмена таких факторов, как форма обтекаемого тела и ее изменение вследствие неравномерного уноса массы с поверхности, полидисперсность потока, наличие локальных зон повышенной концентрации дисперсной фазы, взаимодействие частиц в потоке Это создает возможность обоснованно подойти к решению такой практической задачи, как защита обтекаемого тела от те-плоэрозионного воздействия запыленного потока
Апробация работы Материалы диссертации докладывались и обсуждались на XIV и XV международных конференциях «Вычислительная механика и современные прикладные программные системы» (ВМСППС) (Алушта, 2005, 2007), на VI международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ) (Санкт-Петербург, 2006), на Четвертой Российской национальной конференции по теплообмену (РНКТ-4) (Москва, 2006), на V международном аэрокосмическом конгрессе (Москва, 2006), на XIII международной конференции по теплопереносу (ШТС-13) (Сидней, Австралия, 2006), на XVI шко-
ле-семинаре молодых ученых и специалистов «Проблемы газодинамики и теплообмена в энергетических установках» под руководством академика РАН Леонтьева А И (Санкт-Петербург, 2007), на VII международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ) (Алушта, 2008), на IV международном симпозиуме по вычислительному теплообмену (СНТ-08) (Марракеш, Марокко, 2008), на семинаре по механике жидкости, газа и плазмы кафедры плазмогазодинамики и теплотехники БГТУ «Военмех» им Д Ф Устинова (Санкт-Петербург, 2008), на семинаре ЦНИИМАШ под руководством проф Лунева В В и проф Липницкого Ю М (Королев, 2008), на семинаре НИО-8 ЦАГИ (Жуковский, 2008)
Публикации. Список публикаций автора по теме диссертационной работы приведен в конце автореферата
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы
Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект К» 05-08-01478)
