Исследование течений при взаимодействии сверхзвуковых неравномерных потоков газа с встречными неравномерными потоками и преградами Лебедев, Михаил Глебович

Введение к работе

Актуальность темы. Развитие космических исследований неразрывно связано с применением моделей и методов газовой динамики. При этом использование газодинамических методов в космических исследованиях имеет по меньшей мере два аспекта. Во-первых, они широко применяются при решении технических вопросов, связанных с выводом космических аппаратов (КА) на орбиту (таких, как вопросы протекания рабо- ' чих газов по тракту двигателя и их истечение в окружающее пространство в виде струи, а также вопросы расчета аэродинамических и тепловых нагрузок, действующих на аппарат), с маневром на орбите и со спуском КА на поверхность небесных тел, как обладающих атмосферой (Земля и другие планеты), где приходится решать вопросы аэродинамического торможения, так и лишенные ее (например, Луна), где посадка аппарата осуществляется с использованием тормозных газовых струй. Во-вторых, газодинамические подходы широко используются для^чпостро-ения теоретических моделей, описывающих движение вещества в космическом пространстве. Круг решаемых здесь вопросов чрезвычайно широк н охватывает, например, такие вопросы, как истечение солнечного ветра и его взаимодействие с небесными телами, входящими в Солнечную систему; динамика межзвездного газа, в том числе, взаимодействие вещества в системах двойных звезд; расширение оболочек новых звезд, и другие подобные явления.

Следует заметить, что необходимость решения целого ряда проблем космических исследований в свою очередь является в настоящее время мощным стимулом развития газодинамики. Одним из сравнительно новых разделов теоретической газовой динамики является исследование неравномерных сверхзвуковых течений газа, взаимодействующих с твердыми поверхностями либо с другими потоками газа, равномерішми или, в свою очередь, неравномерными. Исследованию таких течений в некоторых конкретных приложениях посвящена реферируемая диссертация.

Широко распространенным неравномерным течением является течение, в котором газ разлетается от некоторого источника по радиальным или почти радиальным траекториям, что сопровождается ростом скорости и существенным падением плотности газа. В технических приложениях к течениям такого типа можно отнести течение в расширяющейся части сопла Лаваля и, особенно, в струе, вытекающей из сверхзвукового сопла с большим недорасширением в окружающую среду (в частном случае, в ва-

куум). Радиальные течения газа часто реализуются и в космическом пространстве, где источникамми таких течений могут быть небесные тела, истечение вещества с поверхности которых происходит либо за счет процессов, протекающих внутри этих объектов (звезды, в частности, Солнце), либо в результате внешнего воздействия на их поверхность (например, кометы, испарение с поверхности которых происходит из-за нагрева под действием солнечной радиации). При этом возможно взаимодействие рассматриваемых радиальных потоков с твердыми поверхностями или другими потоками. Например, струи стартовых и тормозных двигателей взаимодействуют с поверхностями, с которых осуществляется старт или посадка КА; взаимодействие струй с твердыми поверхностями имеет место при разделении ступеней ракет, и.т.д. Кроме того, возможно взаимодействие струй ракетных двигателей со встречным или спутным, как правило, сверхзвуковым потоком газа. Также и в космическом пространстве еозможны случаи взаимодействия потоков вещества, созданных различными небесными телами.

Несмотря на теоретическую и практическую значимость указанных проблем, систематические теоретические исследования в этой области крайне немногочисленны и не покрывают всего указанного круга вопросов.

Цель работы - систематическое исследование основных законов, управляющих течениями, возникающими при взаимодействии сверхзвуковых радиальных потоков газа между собой и с твердыми преградами, и их конкретизация в случае проблемы взаимодействия потоков вещества в космическом пространстве и практически актуальной проблемы струйного обтекания преград.

диссертация обобщает 'результаты, полученные автором лично, при его участии и под его руководством на протяжении более, чем 20 лет.

йриленяелая яетоОология. Для рассмотренных в работе расходящихся течений газа простейшей моделью, сохраняющей, однако, основные черты изучаемой проблемы, является сферически-симметричное течение сжимаемого газа, порожденное пространственным источником. Поэтому исследование начинается с решения задачи о стационарном и нестационарном взаимодействии двух сверхзвуковых радиальных потоков газа. Полученные результаты образуют теоретическую базу для исследования различных течений газа, реализующихся в природе (в космическом простран-

4.

стве) и в технических приложениях.

Все рассмотренные течения исследуются на основе модели невязко-го газа, что требует дополнительных пояснений. Что касается задач космической газовой динамики, то при их решении автор стремился учесть лишь основные физико-химические процессы, отличающие их от "эйлеровых" течений в традиционной газовой динамике. Силы вязкости в этом случае не являются доминирующими среди многих неучтенных факторов. Что касается задач о взамодействии газовых струй с преградами, модель невязкого течения способна во многих случаях дать правильное распределение давления во всем поле и остальные газодинамические величины вне зоны пограничного слоя. Вопрос о конкретном диапазоне параметров, в котором допустимо такое представление, исследован в диссертации.

Автор стремился дополнить результаты численных исследований аналитическим подходом, имея в виду всюду, где это возможно, установить некоторые обобщенные критерии подобия и асимптотические законы, управляющие изучаемыми течениями, а также получить некоторые, хотя бы и приближенные, аналитические решения.

Для проведения численных расчетов автор использует известный конечно-разностный метод решения уравнений газовой динамики, развитый К.И.Бабенко и В.В.Русановым.* Этот метод, как показывает более чем тридцатилетний опыт его использования, представляет собой надежный и удобный инструмент газодинамических исследований. Описание метода вынесено в Приложение к диссертации.

Научная новизна.

1. На основе расчетных и аналитических исследований установлены основные законы, управляющие взаимодействием двух сверхзвуковых потоков газа, порожденных пространственными источниками. Изучены зависимости этих течений от основных определяющих параметров. Установлены асимптотически справедливые законы подобия для изученных течений, что позволяет сократить число определяющих параметров.

2. Впервые разработана и численно реализована газодинамическая самосогласованная модель взамодействия потоков плазмы в космическом

* К.И.Бабенко, В.В.Русанов. Разностные методы решения пространственных задач газовой динамики // Труды II Всесоюзного съезда по механике. Обзорные доклады. Вып. 2. М.: Наука, 1965. С. 247-262.

пространстве применительно к проблемам взаимодействия солнечного ветра с локальной межзвездной средой и солнечного ветра с динамической ионосферой кометы. В образующихся течениях обнаружены возникающие за счет физико-химических процессов особенности, не имеющие аналога в традиционных газодинамическік течениях. Адекватность разработанной модели подтверждается, в частности, сопоставлением теоретических результатов по обтеканию ионосферы кометы солнечным ветром с результатами измерений, выполненных в ходе пролета КА у кометы Галлея в 1986 году.

3. Установлены основные закономерности при соударении сверхзвуковой струи, вытекающей в вакуум, с твердыми преградами в зависимости от ряда определяющих параметров; определены законы подобия течений, возникающих при соударении струи с плоской преградой. В возникающих течениях обнаружены качественные особенности, не имеющие аналога при обтекании тел равномерными потоками газа.

Основные полученные в диссертации результаты не шлоют, насколько известно автору, аналога в отечественной и зарубежной литературе.

Практическая знанилостъ.

3. Разработанные газодинамические модели взаимодействия потоков плазмы в космическом пространстве могут быть использованы при решении ряда проблем астрофизики в ходе планирования экспериментов или интерпретации наблюдательных данных, осуществляемых наземными средствами или при помощи космических аппаратов.

4. Разработанные методики расчета взаимодействия сильно недо-расширенных газовых струй с неограниченными преградами и телами конечного размера, а также установленные закономерности в течениях такого рода, могут быть использованы для определения картины течения и силовых нагрузок при изучении вопросов, связанных со стартом и посадкой КА на поверхность небесного тела; разделением ступеней ракет за пределами атмосферы или в верхних ее слоях; экспериментальным моделированием обтекания спускающихся КА с использованием неравномерного набегающего потока.

Автор защищает;

1. Установленные асимптотические законы подобия при стационарном и нестационарном Естречном взаимодействии сверхзвуковых потоков газа, порождаемых сверхзвуковыми источниками.

2. Результаты систематических численных исследований задач, упомянутых в п.1.

3. Результаты систематических численных исследований течений, образупцихся при дозвуковом вдуве с поверхности затупленного тела навстречу равномерному сверхзвуковому потоку.

4. Установленные асимптотические законы подобия и результаты систематических численных исследований взаимодействия солнечного ветра с потоком локальной межзвездной среды.

5. Результаты.систематических численных исследований взаимодействия солнечного ветра с динамическими ионосферами комет, в том числе теоретически установленное наличие в области взаимодействия протяженного района медленно текущих кометных ионов с большими градиентами плотности и температуры.

6. Установленные законы подобия и результаты систематических численных исследований взаимодействия сверхзвуковой струи, истекающей в вакуум, с неограниченной плоской преградой, в том числе, установленные особенности течения в ударном слое перед преградой, характеризующиеся немонотонным поведением скорости течения, незамкнутостью дозвуковой части ударного слоя и появлением в нем местных зон сверхзвукового течения.

7. Результаты аналитических и численных исследований осесим-метричного и пространственного обтекания тел простой формы (сферы, эллипсоида, заостренного и затупленного конуса) неравномерными сверхзвуковыми потоками газа (течением от источника, струйным течением).

Апробация работы. Результаты диссертации неоднократно обсужда-лись и получили одобрение на семинарах под руководством: академика

Г.И.Петрова в Институте механики МГУ и Вычислительном центре МГУ; академика Г.Г.Черного в Институте механики МГУ; академика А.А.Гале-ева в Институте космических исследований РАН; профессора В.Б.Баранова в Институте проблем механики РАН; профессора Г.А.Тирского в Институте механики МГУ; профессора В.С.Имшенника в Институте теорети-

ческой и прикладной физики РАН; профессора|Г.П.Воскресенского!в Институте прикладной математики РАН; профессора С.Гжендзельского в Центре космических исследований ПАН и в Варшавском университете; и др. Основные положения диссертации докладывались на II (1968, Моск-

ва), V (1931, Алма-Ата) и VI (1986, Ташкент) всесоюзных съездах по теоретической и прикладной механике; на IV (1987, Радзеевице, Польша) и V (1988, Москва) международных симпозиумах по космической газовой динамике; на X, XI, XIII, XIV и XV (1976, 1978, 1984, 1990, Ленинград; 1987, Новосибирск) всесоюзных семинарах по течениям в газовых струях; на всесоюзном семинаре-совещании по проблеме "Нестационарные взаимодзйствия ударных волн" (1989, Ташкент); на конференции Меадународной ассоциации по компьютерному моделированию (IMACS)(1990, Вильнюс-Москва); на конференциях, проводившихся в рамках дней науки на ВДНХ (1985, 1987, 1988, 1989); на Ломоносовских чтениях в МГУ (1988).

Публикации. Основные результаты, содержащиеся в диссертации, были опубликованы в монографии ш, обзорных статьях [2-4] и в посвященных решению конкретных задач статьях [5-24].

Структура и объел диссертации. Диссертация состоит из Введения, четырех глав и Приложения. Полный объем диссертации - 455 страниц, из них основного текста - 241 стр., иллюстраций (в количестве 192) - 154 стр., текста Приложения - 39 стр., библиографического списка (209 наименований) - 22 стр.