Содержание к диссертации
Введение.,.8
Глава 1. Обзор работ по исследованию импульсных струйных сверхзвуковых течений и их воздействия на преграду ...15
1.1. Структура стапионарных сверхзвуковых струй газа., .,...,..,,.,.,...,15
1.2, Аналитическое и численное моделирование запуска сверхзвуковых струи 18
1.2.L Запуск струи, истекающей в вакуум .,..,, 18
1.2.2. Запуск струи, истекающей в пространство с противодавлением .,.,.20
1J, Экспериментальные исследования запуска сверхзвуковых струй, истекающих в пространство с противодавлением ...„.,...,...,...,.,.,.,.,..,...,26
1.4, Течение расширения при дифракции ударной волны на плоском выпуклом угле (автомодельный случай)... 31
1.4.1. Структура течения расширения после огибания ударной волной плоского выпуклого угла 31
1.4.2,Отрыв потока нрн огибании ударной волной плоскої и выпуклого угла... 35
3.4.3. Форма дифрагированной волны и тип отражения ее от стенки 36
1.5. Течепня расширения, возникающие при выходе ударной полны из капала (неавтомодельный случал)..,... -.,,.. 40
1.5.1 .Осесимметрпчный канал,, ... ...40
1.5.2. Канал квадратного сечения... ., 46
1,5,3.Вторичная ударная волна в зоне вихревого кольца 46
1.5.4. Потери полного давления в струйных течениях. ..47
1.6. Воздействие точений расширения па преграду... , 48
1.6.1. Взаимодействие с преградой стационарных и импульсных струй 48
1.6.2. Взаимодействие ударной волны, выходящей из канала круглого сечения, с плоской преградой. ...,49
1.7, Практическое применение импульсных течений расширения.. 49
Выводы к гл, ],„ ...52
Глава 2. Методы экспериментального и численного исследования импульсных течений расширения 53
2.1, Экспериментальная база 53
2*2. Методики измерения газодинамических и тепловых параметров нестационарна сверхзвуковых потоков 57
2.2.1, Методика исследования структуры потока теневым методом ...•..,, .57
2.2.2, Измерение плотности интерферометрическим методом 61
2.2.3.Развитие методики обработки осесимметричных интерферограмм и примернее использования 65
2.2,4» Измерение давления и температуры стенки.,, 71
2.3, Численный метод расчета пространственных течений расширения 73
2.4. Анализ погрешностей при измерении основных параметров потока 83
2.4.1. Погрешность измерения числа Маха ударных волн S3
2.4.2. Погрешность измерения положения характерных неоднородностей 84
2.4.3. Погрешность измерения давления 85
Выводы к гл. 2 86
Глава 3. Формирование крупномасштабных вихревых структур в осесимметричных недорасширенных импульсных струях 87
3.1. Критерии моделирования нестационарных сверхзвуковых струй, истекающих в затопленное пространство 87
3.2. Условия проведения экспериментов 89
3.3. Вихревые структуры, возникающие при формировании осесимметричных недорасширенных струй ... 89
3.4. Влияние температурного фактора на развитие крупномасштабных вихревых структур в струях 104
3.5. Динамика вихревых структур в импульсных струях при изменении физических свойств истекающего и окружающего газов 110
3.6. Влияние числа Рейнольдса па крупномасштабные вихревые структуры в импульсных струях 119
3.7. Развитие вихревых структур в блочных импульсных струях 123
3.S. Влияние геометрических характеристик сопел и разносов между ними на развитие вихревых структур в блочных струях азота , 132
Выводы к гл. 3 142
Глава 4, Течения расширения, возникающие при выходе ударной волны из канала... 143
4.1. Дифракция ударной волны при выходе из канала круглого сечения в свободное пространство с противодавлением 144
4,1 Л. Структура потока 145
4.1.2. Падение амплитуды давления на дифрагированной волне и скорости волны .,,,,...145
4.1.3. Падение интенсивность ударной волны вдоль задней стенки 146
4.2. Дифракция ударной волны при выходе из канала квадратного сечения в неограниченное пространство 149
4.2.1, Инверсия структуры потока по отношению к плоскостям симметрии. ,,.149
4.2.2, Влияние трехмерности течения на распределение давлений на задней стенке , 153
43. Дифракция ударной волны на прямом выпуклом угле при выходе из канала в полуограниченное пространство 154
4.3.1. Зависимость числа Маха распространения переднего фронта и пристеночной части ударной волны от числа Маха падающей волны при дифракции из канала круглого сечения 154
4.3.2. Ослабление ударной волны по диагоналям при дифракции из канала квадратного сечения 161
4.3.3. Сравнение осесимметричного и трехмерного случаев 165
4.3.4. Распределение термодинамических параметров в потоке за дифрагированной волной 167
4.4, Изменение типа отражения пристеночной ударной волны при неавтомодельной дифракции на прямом угле , 168
4.5, Расширение потока при выходе ударной волны из канала 172
4.5.1. Угол отрыва потока от стенки 173
4.5.2. Терминатор 374
4.5.3. Структура "первой бочки струи" 176
4.6, Возникновение локальных сверхзвуковых областей в дозвуковом потоке за слабой дифрагированной ударной волной . 177
4.6.1, Теоретическое определение наименьшего числа Маха ударной волны, при котором возникает сверхзвуковой поток при выходе ударной волны из канала... 177
4.6.2, Экспериментальное обнаружение вихревого скачка при низких числах Маха падающей ударной волны , ..179
4.6.3. Зависимость времени образования вихревого скачка от числа Маха падающей ударной волны... , 181
4.6.4. Численное обнаружение локальных сверхзвуковых областей при дифракции слабой ударной волны из канала квадратного сечения 182
Выводы к гл. 4 184
Глава 5. Тепловое и динамическое воздействие импульсных сверхзвуковых потоков на преграду 186
5.1. Взаимодействие импульсной сверхзвуковой струи с преградой 186
5.1.1. Условия эксперимента 186
5.1.2. Распределения во времени давления и теплого потока в различных точках на преграде и пространственное распределение плотностей 187
5.1.3. Численное моделирование взаимодействия импульсной струи с преградой..190
5.1.4. Влияние отраженной пусковой ударной волны и головной части потока истекающего газа с вихрем на распределение динамических и тепловых нагрузок на пластину во времени и пространстве 192
5.1.5. Температура торможения импульсной струи на преграде 193
5.2. Воздействие дифрагированной ударной волны на преграду , 194
5.2.1. Условия эксперимента 195
5.2.2. Волновая структура течения 195
5.2.3. Распределение параметров потока у поверхности пластины после взаимодействия с него дифрагированной ударной волны 199
5.2.4. Влияние установки сопла на выходе из канала на взаимодействие потока с преградой 200
5.3. Воздействие на преграду ударных волн, выходящих из частично перекрытого канала 201
5.3.1. Условия эксперимента 202
5.3.2. Численное моделирование течения в двухсвязной области 203
5.3.3. Повышение давления на преграде в результате увеличения давления на выходе из канала после отражения ударной волны от торца с диафрагмой.. 203
5.3.4. Границы области увеличение импульса давления при частичном перекрытии канала в зависимости от числа Маха ударной волны и расстояния до преграды...205
5.4. Влияние трехмерных эффектов на взаимодействие с преградой ударной волны, выходящей из канала 212
5.4.1. Условия эксперимента ...213
5.4.2. Структура потока при взаимодействии с преградой ударной волн, выходящих і* из каналове круглым и квадратным сечением 214
5.4.3. Давление на преграде при взаимодействии с ней ударных волн, выходящих из каналов с круглым и квадратным сечением 219
5.4.4. Коэффициент восстановления полного давления 222
5.4.5. Численное моделирование взаимодействия с преградой потока за ударной волной, выходящей из каналов различного сечения 224
5.4.6. Распределение термодинамических параметров потока по преграде 227
5.4.7. Уменьшение силы действия нестационарного потока на преграду при выходе ударной волны из канала квадратного сечения 230
5.5. Увеличение силы действия на преграду ударной волны, выходящей из канала, путем превращения прямого скачка уплотнения в систему косых скачков 231
5.5.1. Условия эксперимента 232
5.5.2. Исчезновение прямого скачка уплотнения структуре потока при истечении из канала крестообразного сечения 232
5.5.3. Уменьшение скачка температуры и энтропии в волне торможения при выходе из канала крестообразного сечения 235
5.5.4. Оптимизация силы действия нестационарного потока на преграду 238
Выводы к гл. 5 241
Глава 6. Примеры приложения исследований взаимодействия импульсной струи с преградами к волновым процессам, возникающим в устройствах ракетной и космической техники 243
6.1. Исследование взаимодействия импульсных струй с моделью при раскрытии защитного цилиндра в вакууме 243
6.2. Влияние устройства сопла на улучшение смешения компонент топлива при раздельной подаче горючего и окислителя 246
6.3. Выход ударной волны из сопла в замкнутое загроможденное пространство 250
6.3.1. Физическое моделирование волновых процессов при высотных испытаниях ракетного двигателя 251
6.3.2. Повышение давления в области между стенкой сопла и диффузором 252
6.3.3. Взаимодействие стартовой ударной волны с потоком в камере смешения эжектора 253
6.3.4. Математическая модель процесса запуска сопла при наличии эжектора при стендовых испытаниях 254
6.3.5. Расчет стартового процесса при запуске РД на высотном стенде с эжектором.255
6.3.6. Расчет нагрузок на сопло, возникающих при запуске реактивного двигателя.258
Выводы к гл. 6 261
Заключение... 262
Литература... 265
Благодарности 278
Введение к работе
Актуальность темы
При импульсном запуске струй наблюдается стартовая ударная волна, распространяющаяся в фоновом газе, головная часть струи с системой вихревых колец и вторичные ударные волны в истекающем газе. До настоящего времени основное внимание исследователей было сосредоточено на изучении крупномасштабных вихревых образований в стационарных осесимметричных струях [6,145-147]. В [24] было указано на существование подобных вихревых структур в импульсных осесимметричных струях, однако их дипамика и распределение параметров струи газа достаточно подробно исследованы в связи с тем, что они находят широкое применение в авиационной и ракетной технике, а также в энергетических устройствах и ряде технологических процессов. Гораздо меньше исследованы импульсные течения расширения, возникающие на начальной стадии процесса, когда истекаюпщй газ попадает в неподвижную среду. В этом случае структура потока зависит не только от координат, по также и от времени, В природе и технике наблюдается ряд нестационарных газодинамических явлений, имеющих общую природу. К ним можно отнести залповые выбросы из вулканов, запуск ракетного двигателя, истечение испарившегося вещества при воздействии излучения импульсного лазера на твердое тело, выхлоп при выстреле, струйные выбросы из различных астрофизических объектов. Все они имеют общий физический механизм и пока мало изучены.
В импульсных струйных сверхзвуковых течениях можно выделить два близких по газодинамической структуре класса явлений, которые отличаются друг от друга начальными условиями, В первом случае истечение происходит из сосуда высокого давления при внезапно открывающемся отверстии. Если давление в сосуде выше критического, то в отверстии устанавливается постоянная скорость истечения, равная местной скорости звука и не зависящая от перепада давлений, В истекающем газе возникают вихревые структуры и ударные волны. Перед фронтом истекающего газа в окружающей среде также возникает ударная волна. Во втором случае поток создается ударной волной, выходящей из канала. Скорость потока за ней зависит от числа Маха ударной волны. Структура течения резко отличается при переходе от плоского течения к осесимметричиому и трехмерному.
К числу имеющихся результатов исследований нестационарных течений расширения следует отнести экспериментальные данные о волновой структуре импульсной струи, аналитическую модель радиального внезапно включенного источника, численное моделирование осесимметричной нестационарной сверхзвуковой струи и исследованігя течения расширения при дифракции ударной волны на угле в двухмерной постановке. Остались неясны существенные фундаментальные вопросы: как влияют физические свойства газов и начальные условия на формирование вихрей при импульсном истечении, как влияет геометрия истечения на нестационарный веер разрежения, к чему приводит взаимодействие нестационарных вееров разрежения между собой и волнами торможения.
Все эти вопросы напрямую связаны с анализом потерь полного давления в импульсном истечении, это имеет большое значение для управления этими потерями, В некоторых случаях эти потери нужно уменьшать, когда требуется большее действие потока на преграду или дальнобойность струи, в некоторых нужно увеличивать.
Нестационарные струйные течения представляют собой сложные явления, уровень понимания которых в настоящее время отстает от потребностей современной техники, что препятствует дальнейшему развитию прикладных работ
Объект исследования
На схемах приведены различные случаи запуска струи (В1) и выхода ударной волны из канала (В2), исследованные в диссертации. Принципиальным отличием от исследованной ранее дифракции ударной волны (плоский случай огибания угла ударной волной в полубесконечном пространстве, изображенный внизу схемы), при выходе ударной волны из канала является наличие характерного размера и отсутствие автомодельное™.
Исследованы три формы поперечного сечения канала - круг, с выпуклыми углами (квадрат) и с вогнутыми углами (крест). Эти фигуры отличаются характером взаимодействия вееров разрежения в потоке за ударной волной, что отражается на увеличении площади свободных границ потока и изменяет его структуру»
Цель работы
• Установить основные закономерности нестационарных струйных течений расширения и их взаимодействия с преградой в зависимости от начальных и граничных условий.
• Составить физическую и математическую модели процессов нестационарного истечения газа и взаимодействия импульсных струй с преградами.
Основвые результаты и научная новизна
1. В диссертации впервые установлены закономерности формирования крупномасштабных вихревых структур в осесимметричных недораспшрснных одиночных и составных сверхзвуковых импульсных струях.
2. Созданы физическая и математическая модели структуры нестационарных осесимметричных и трехмерных течений, возникающих при выходе ударной волны из каналов с различной формой поперечного сечения в свободное и полуограниченное пространство и при взаимодействии их с преградой.
- Установлено, что после выхода ударной волны из канала квадратного и круглого сечения объем разреженного газа ограниченного скачками и степень расширения в нем больше, чем в стационарной струе. Дополнительные области разрежения возникают также в вихревом кольце, образующемся при взаимодействии истекающего газа с окружающей средой
- Впервые обнаружено существование сверхзвуковых областей при выходе слабой ударной волны с дозвуковым течением за ней в трехмерном случае,
3. Получены новые данные о динамическом и тепловом воздействии на преграду импульсной струи и ударной волны, выходящей из канала:
Потери полного давления на скачках уплотнения в нестационарном потоке с увеличением температуры и энтропии при прохождении газа через прямой скачок могут быть уменьшены путем изменения формы сечения канала, приводящему к замене прямого скачка на систему косых скачков Практическая значимость результатов работы Результаты могут быть использованы для:
- моделирования последствий аварийных ситуаций, возникающих при взрыве,
- моделирования запуска реактивных двигателей,
- исследования истечения испарившегося вещества при воздействии излучения импульсного лазера на твердое тело,
- разработки новых фурм при выплавке стали в конверторе, разработки перспективного глушителя автомобильного двигателя, разработки методов управления воздействием на преграду ударных волн, выходящих из каналов различной геометрии, ослаблення ударных волн при выстреле из ствольных и динамореактивных систем, разработки эффективных методов смешения компонент топлива в перспективных авиационных двигателях. Проведенные в диссертационной работе эксперименты позволили осуществить тестирование программ численного расчета пространственных течений сжимаемого газа. Совпадение результатов эксперимента и расчета дало возможность исследовать параметры потока при такой постановке задачи путем численного моделирования газодинамического пропесса. Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах: 17-24 Международных Симпозиумах по ударным волнам (1989-2004 гг.), V-X Международных Симпозиумах по визуализации потоков (1989-2002 гг.), V Европейской конференций по исследованию жидкости(1989г), V Европейской конференции по турбулентности(1994г), на XIX и XX Международных конгрессах по теоретической и прикладной механике (1996 и 2000 гг.), на конференциях Международной комиссии ERCOFTAG в 1996 и 1998 гг., на «EVROMECH COLLOQUIUM 403» (Пуатье, Франция, 1999), на III - VI Всероссийских научных конференциях "Оптические методы исследования потоков". (1995-2002), па XIV -XIX Международных семинарах по струйным, отрывным и нестационарным течениям (1992-2002), на XXVI-XXVIII академических чтениях по космонавтике (2000-2004 гг.), и на многих следиализированных международных и российских научпых семинарах, общее число докладов
Публикации
Материалы диссертации достаточно полно изложены в печати. Список научных публикаций по теме диссертации содержит более 70 наименований, в том числе 57 статей в отечественных и зарубежных реферируемых журналах и сборниках и 4 патента на изобретения Тема диссертации связана с научно-исследовательскими работами Института теплофизики экстремальных состояний РАН» В работе представлены результаты исследований выполненных при поддержке Министерства промышленности, науки и технологий РФ, РФФИ., INTAS и CRDF
