Введение к работе
Актуальность работы. В настояшее время расширился круг вопросов связанных с исследованием в области механики гетерогенных (многофазных) сред, что обусловлено развитием теплоэнергетики, ракетной и авиационной техники, химической, нефтегазодобывающей, металлургической промышленности и т. д. Решение ряда научных и технических проблем связано с изучением обтекания тел двухфазным потоком. Среди них наибольший интерес представляет задача обтекания тел газовзвесью (газом с твердыми частицами). К настоящему времени имеется достаточное количество работ по исследованию обтекания тел в режиме малой концентрации частиц (одиночных частиц), которые не оказывают существенного влияния на параметры газа. На практике часто встречаются двухфазные потоки с достаточно большой концентрацией частиц, при моделировании которых необходимо учитывать отраженные от поверхности тела частицы, их взаимодействие с частицами набегающего потока и образования вследствие этого «облако» хаотически движущихся частиц. Экранирующий эффект отраженных частиц перед телом наблюдался и в ряде экспериментов. В связи с этим представляется актуальным дальнейшее развитие теории обтекания тел двухфазным потоком с учетом выше указанных эффектов и решения прикладных задач, связанных с анализом силового и эрозионного воздействия газовзвеси на поверхность тела. Проблема конструирования летательных аппаратов с реактивными двигателями нового типа, создающих движение со сверх и гиперзвуковыми скоростями, выход в космическое пространство и вход в плотные слон атмосферы вызывает интерес к изучению так называемой «промежуточной» области течения, когда длина свободного пробега молекул соизмерима с харак-
терным масштабом задачи. В этой области течения газа не применимы концепции континуума Навье-Стокса или свободномолекулярного режима.
Целью настоящей работы является построение достаточно простых математических моделей обтекания тел газовзвесью для различных режимов течения при наличии отраженных частиц и их хаотическом движении, исследование свойств этих моделей, разработка методики расчета эрозии поверхности обтекаемых тел с учетом экранирующего эффекта облака отраженных частиц и эрозии от хаотически дви-л-сущихся частиц, построение математической модели обтекания тел разреженным газом, в том числе и в «переходном» режиме.
Характер и методы исследования. Работа носит теоретический характер. Для описания движения газовзвесп используется модель взаимопроникающих и взаимодействующих континуумов, включающей в себя также уравнения и соотношения кинетической теории газа. Данная модель применяется для исследования обтекании тел разреженным газом, где определяющими параметрами течения являются числа Кнудсена и Маха в набегающем потоке. Для численного решения применяются схемы сквозного счета, сочетающие метод С. К. Годунова и метод «крупных частиц».
Научная новизна
1. Разработана трехкомпонентн'ая модель и проведено численное исследование обтекания тел газовзвесью с учетом отражения частиц от поверхности и их хаотического движения, возникающее вследствие взаимодействия их с частицами основного потока. В результате впервые получена картина распределения макроскопиче-
гких параметров газовзвссн перед телом, учитывающая хаотическое движение твердой дисперсной фазы, выявлено наличие перед телом экранирующего слоя из отраженных частиц, который существенно снижает силовое и эрозионное воздействия высокоскоростных частиц основного потока дисперсной фазы на поверхность тела.
-
Разработан метод расчета эрозионного износа тел под воздействием двухфазного потока н получены значения удельного уноса массы от поверхности некоторых осеснмметрнчных тел. которые согласуются с экспериментальными данными.
-
В рамках феноменологического подхода с использованием результатов кинетической теории газа, разработана двухжидкостная модель обтекания тел разреженным газом, пригодная для расчетов течении в переходном режиме.
-
Проведены численные исследования двухжидкостной модели и получены распределения .макроскопических параметров потока перед некоторыми телами, обтекаемыми сверхзвуковым потоком разреженного газа, их интегральные характеристики (коэффициенты сопротивления и восстановления температуры), а также решения о структуре ударной волны в газе и газовзвеси.
Практическая ценность работы состоит в разработке методов расчета силового и эрозионного воздействия двухфазного пдтока на об7 текаемые тела, а также параметров сопротивления и теплообмена поверхности тел при обтекании их разреженным газом в переходном режиме. Разработанные в диссертации теоретические модели и методы
расчета обтекания тел газовзвесью п эрозионного износа могут быть использованы для определения силового и эрозионного воздействия запыленного газа на летательные аппараты, элементы их конструкции, детали двигателей и энергоустановок, при прогнозировании абразивного изнашивания газопромыслового оборудования. Модель обтекания тел разреженным газом может быть использована при расчетах параметров течения перед телом, а также силового и теплового воздействия потока на обтекаемую поверхность в переходном режиме.
Развитая в диссертации концепция двухжндкостной модели могут быть положены в основу специальных курсов.
Апробация работы. Регультаты работы докладывались на:
IV Всесоюзной школе молодых ученых и специалистов «Современные проблемы теплофизики» (Новосибирск, 1986 г.),
региональной научно-технической конференции «Молодые ученые науке Казахстана» ( Караганда. 1988 г.).
IX республиканской межвузовской научной конференции по математике и механике (Алма-Ата. 1989 г.).
II Международной школе по моделям механики сплошной среды (Владивосток. 1991 г.),
XI Всесоюзной конференции по динамике разреженных газов (Ленинград, 1991 г.),
а также на научных семинарах
- Ленинградского физико-технического института им. А.Ф. Иоффе (1986 г.. рук. д.ф.-м.н.. профессор Лунькнн Ю.П.).
Лаборатории газовой динамики НШШМ ЛГУ (1985. 1986 гг.).
кафедры гидроаэромеханики ЛГУ (1984, 1986 гг., рук. д.т.н., заслуженный деятель науки РСФСР, профессор Поляхоп Н.Н.).
кафедры механики сплошной среды КазГУ им. Аль-Фарабп (1993 г., рук. д.т.н.. чл.-корр. HAH РК, профессор ЕршинШ.А.).
Института прикладной математики МН-АН и МОКЗ РК (1997 г., рук.. д.т.н., профессор Халманов Х.Ж.),
Алматпнском городском по гидроаэромеханике (1998 г., рук. д.т.н., чл.-корр. НАН РК, профессор Ершин Ш.А.),
по физике газа, плазмы и жидкости (1998 г., рук. д.ф.-м.н., чл.-корр. НАН РК, профессор Баїшбетов Ф.Б.).
Исследования по пятой и шестой главам диссертации выполнялись
по программам ГРАНТОВ «Фонда Науки» Министерства Науки
и Новых технологий РК (1994-1996 гг.).
Автор защищает:
трех- и двухкомпонентные модели обтекания тел газовзвесью и разреженным газом и результаты численного исследования задач обтекания тел в невязком приближении на основе этих моделей:
метод расчета газоабразнвного износа тел с учетом экранирующего действия облака отраженных хаотически движущихся частиц и результаты расчетов по уносу массы с поверхности некоторых осесимметричных тел:
двухжидкостную модель обтекания тел разреженным газом в вязком и теплопроводном приближении пригодную для решения задач в переходном режиме:
результаты численного исследования обтекания различных тел разреженным газом в переходном режиме:
результаты исследования по решению задачи о структуре ударной волны в газах и газовзвесях.
Степень достоверности научных положений и результатов исследования определяется использованием фундаментальных уравнений сплошных сред, соотношений кинетической теории газов и основополагающих принципов моделирования процессов в механике гетерогенных сред и разреженного газа: строгими математическими выкладками: сравнением полученных численных решении с известными экспериментальными данными и теоретическими результатами, а также тестовыми расчетами.
Публикации. Основные результаты по теме диссертации опубликованы в работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из предисловия, введения, шести глав, заключения, двух приложений и списка использованной литературы (182 наименований), содержит 48 рисунков, 1 таблицу с общим объемом работы 196 страниц.