Введение к работе
Актуальность темы. Для многих приложений актуально создание технологий получения материалов и деталей с принципиально новыми поверхностными свойствами путем модификации поверхностей с использованием газодисперсных сверхзвуковых струй, истекающих из специальных сопел на обрабатываемые объекты. Широкомасштабные исследования сверхзвуковых сопел и струй проводились в интересах ракетно-космических приложений. Трудами научных школ Дулова В.Г., Гинзбурга А.П. (СПбГУ, Во-енмех), ФТИ им. А.Ф. Иоффе, СПбГТУ, Петрова Г.И. - Авдуевского B.C. (ИЦ им. М. Келдыша, ВМК МГУ), Седова Л.И., Черного Г.Г. (Институт механики и Мехмат МГУ), ЦНИИМАШ (Демьянов ЮА, Ерохин Б.Т., Лунев В.В., Румынский А.Н., Тишин А.П.), Крайко А.Н., Стернина Л.Е. (ЦИАМ, ОКБ «Энергомаш»), НАГИ (Гиневский А.С. и др.), Белоцерковского О.М. (ВЦ РАН, ИАП РАН), Самарского А.А. (ИМатМод РАН), Шишкова А.А. (МИТ), Липанова A.M. (НПО «Союз»), КазГУ (Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф.), Солоухина Р.И. - Фомина В.М. (ИТПМ СО РАН) накоплены существенные знания в этой области. Актуальность изучения двухфазных и газодисперсных процессов в соплах и струях определяется специальными режимами технологий нанесения покрытий для обеспечения экстремальных параметров потока при его взаимодействии с обрабатываемыми объектами.
Технологические задачи диктуют необходимость получения широкого спектра однородньж и композитных покрытий (от напыления металлов и их оксидов до создания тончайших пленок из алмаза или кремния при высоких давлениях) высокого качества и различной толщины (от покрытий со сложным рисунком и толщиной в доли микрона в кристаллах микропроцессоров до солидных пленок на взаимодействующих поверхностях в бессма-зочных двигателях внутреннего сгорания). Успешное развитие данных технологий связано с глубоким пониманием газодисперсных процессов, включая пространственные особенности течений в соплах и струях, взаимодействую-
щих с препятствиями. Технологии включают в себя несколько взаимосвязанных процессов, протекание каждого из которых определяется большим числом факторов. Многопараметрическая задача поиска действенных способов управления струйными процессами не позволяет простым пересчетом всех возможных вариантов находить оптимальные режимы нанесения покрытий. Важное значение для осаждения мелкодисперсной фазы на обрабатываемые поверхности имеет изучение пульсационных режимов в сверхзвуковой струе при постоянном расходе. Цель работы:
численное моделирование газодисперсных течений в пространственных соплах и струях;
численное моделирование процессов обтекания затупленных тел газодисперсными струями, оценка способов управления ими;
разработка программного комплекса расчета газодисперсных течений в каналах и струях как инструмента исследований.
Научная новизна работы. Получены зависимости, описывающие влияние начальных параметров газодисперсной струи на структуру течения в диапазоне, обусловленном технологиями напыления, на базе разработанного программного комплекса, в основе которого лежит принцип декомпозиции счетных областей, моделей и алгоритмов. Продукт обладает гибкой и расширяемой объектно-ориентированной структурой, позволяющей существенное расширение функциональности в рамках реализованной архитектуры. Показана целесообразность использования сопел с эллиптическими и суперэллиптическими поперечными сечениями для генерации потоков частиц с экстремальными скоростными, температурными и пространственными характеристиками для технологических установок модификации поверхностей. Выявлены аномальные режимы с возвратными течениями в струях с постоянным расходом, которые позволяют реализовать дополнительные преимущества в технологиях модификации поверхностей, объяснены причины их возникновения и сформулированы рекомендации по управлению параметрами струи с целью достижения оптимального эффекта.
Практическая значимость. В рамках изучения процессов в струйных технологиях модификации поверхностей, получения материалов и нанесения покрытий разработаны способы управления этими процессами. Сформулированные рекомендации могут быть использованы при разработке газодинамических технологических установок для получения заданных поверхностных свойств.
Основные положения, выносимые на защиту.
Получение зависимости влияния начальных параметров струи на ее структуру и на процесс взаимодействия дисперсной фазы с обтекаемым телом, с использованием разработанного программного комплекса на базе современных технологий (кроссплатформенность, объектно-ориентированный подход, декомпозиции областей для разных алгоритмов и расчетных сеток).
Результаты исследования механизмов управления газодисперсной струей с целью достижения параметров, обусловленных технологиями получения покрытий. Рекомендации по управлению характеристиками газодисперсных струй.
Подходы к использованию сопел сложной пространственной конфигурации в целях получения экстремальных параметров дисперсной фазы.
Результаты исследований аномальных режимов в свободных сверхзвуковых струях, связанных с возникновениями возвратных течений и пуль-сационных режимов при постоянном расходе.
Достоверность работы обеспечивалась обоснованным выбором математических моделей, сравнением результатов численного моделирования с результатами других авторов, с экспериментальными и аналитическими результатами.
Апробация работы. Основные результаты представленной работы докладывались на Всероссийских и международных конференциях: X международная конференция «Вычислительная механика и современные прикладные программные системы» (Переславль-Залесский, 1999 г.), V International School-Seminar "Nonequilibrium Processes And Their Applications" (Minsk, 2000 г.), конференция, посвященная 80-летию Н.Н. Яненко «Современные пробле-
мы прикладной математики и механики, теория, эксперимент и практика» 2001 г., конференция по п/п «Транспорт» МНТП Минобра РФ «НИВШ по приоритетным направлениям науки и техники», 2002 г., «TV International Workshop on intra chamber processes, combustion and gas dynamics of dispersed systems», (St. Petersburg, 2004).
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 12 научных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, содержит 232 страниц, 187 рисунков, 2 таблицы и список литературы из 147 названий.
