Введение к работе
Актуальность. При больших числах Рейнольдса, характерных для множества аэрогидродинашгаеских проблей, влияние сил вязкости оказывается исчезающе иалыи почти всюду в поле течения, кроме относительно узких областей - пограничных слоев и слоев смешения. В классической теории пограничного слоя Прандтля, предполагается, что из-за малости отношения поперечных размеров областей вязкого и невязкого потоков влияние течения в погранпчнои слое на внешнее течение несущественно в первом приближения н, что это влияние может быть регулярным образом учтено в последующих приближениях. Впоследствии, исследования гиперзвуковых течений выявили режимы для, которых уже в главном приближении малое воздействие течения в пограничном слое на внешнее течение приводило к нелинейным изменениям в самом пограничном слое. Такого рода режимы вязко-невязкого взаимодействия получили название умеренных или сильных . Использование асимптотических методов для анализа отрыва пограничного слоя, течений в областях с большими локальными градиентами и других течений, не описывающихся теорией Прандтля, привело к выводу, подтверждавшемуся в экспериментах, о значительной роли процессов вязко-невязкого взаимодействия не только в гиперзвуковых, но и в широком круге дозвуковых и сверхзвуковых течений.
Исследования процессов взаимодействия вязких и невязких течений представляются важными по ряду причин.
Во-первых, выявление структуры возмущенных областей, определение роли в них различных эффектов позволяет формулировать параметры подобия, строить упрощенные математические модели и получать на их основе решения при умеренных ресурсах ЭВМ.
Во-вторых, на значительных участках траектории полета
перспективных воздушно-космических летательных аппаратов, процессы вязко-невязкого взаимодействия проявляются таким образом, что влияют как на локальные, например, пиковые тепловые или аэродинамические нагрузки, так в на суммарные характеристики, например, на эффективность аэродинамических органов управления.
На практике для большого числа проблем характерны нестационарные процессы вязко-невязкого взаимодействия. При малых амплитудах возмущений результатом исследования влияния нестационарных возмущений является выяснение асимптотических характеристик устойчивости, которые могут быть получены из' результатов теории устойчивости при соответствующем предельном переходе. Применение асимптотических методов к анализу указанных процессов позволяет исследовать также характеристики нелинейной устойчивости в результате изучения воздействия на течение возмущений не малой амплитуды.
Цель работы заключается в исследовании ранее не изученных явлений, в которых проявляются стационарные процессы вязко-невязкого взаимодействия, в исследовании нестационарных процессов взаимодействия вязких и невязких сверхзвуковых течений, в выявлении общих для процессов вязко-невязкого взаимодействия закономерностей.
Научная новизна. Большая часть результатов, полученных в диссертации, либо не имеет аналогов в отечественной и зарубежной литературе, либо эти результаты получены одновреиенно с другими авторами и независимо от них.
К такого рода результатам следует отнести формулирование асимптотической теории отрыва ламинарного пограничного слоя, происходящего под влиянием неблагоприятного градиента давления, разработку теории отсоединения ламинарного пограничного слоя,
происходящего при распределенном поверхностном вдуве, структурный анализ и математические иоделн возмущенного нестационарного течения в пограничной слое, происходящего под влиянием разрывных граничных условий пли под влиянием внешних возмущений, асимптотическую теории нестационарного транскритического взаимодействия, исследования течений с непрерывным и разрывным изменением реянка взаимодействия.
Практическая ценность Несмотря на развитие вычислительной техники и численных методов решение системы уравнений Навье-Стокса все еще остается возможным для ограниченного круга задач. В построенных асимптотических теориях выявлена , как структура течений, так и роль тех пли иных физических механизмов в них. Поэтому полученные результаты могут быть использованы как для построения сеток в вычислительной аэродинамике, так и для конструирования численных методов, основывающихся на приближенных моделях , равно как и для обоснования применения тех или иных вычислительных моделей.
Важный свойсгвок процессов взаимодействия является передача возмущений вверх по потоку по дозвуковой части пограничного слоя. Неадекватная аппроксимация или вычислительная модель монет подавить эффект передачи возмущений, что качественно и количественно повлияет на результат. Это же свойство передачи возмущений весьма важно моделировать в эксперименте, например при исследовании внутренних течений в каналах ГПВРД и внешних сверхзвуковых течений. Так , представленные в диссертации результаты исследований указывают на значительную зависимость эффекта передачи возмущений от температурного фактора, обычно невоспроизводимого в экспериментах.
Кроме очевидной взаимосвязи с вычислительной и экспериментальной аэродинамикой построение асслптоткческой
-e-
теорип процессов взаимодействия вязких и невяэких течений имеет в самостоятельное значение, обеспечивающее понимание сложных аэродинамических процессов. Выявление закономерностей указанных процессов позволяет не только описывать юс ,но и предлагать те или иные способы воздействия или управления .
Достоверность полученных расчетных и аналитических результатов проверялась путем сравнения с имеющимися результатами других авторов. Б частности,- в некоторых случаях воспроизводились условия решенных в других работах задач. Также в аналитических исследованиях большое внимание уделялось проверке предельных ситуаций, особенно там, где они приводили к полученным ранее результатам.
Личные вклад автора. 1.1, 2.1, 2.2, 2.3, 4.2 содержат результаты полученные автором лично.1.2 написан на основе результатов совместной работы с В. В. Боголеповым, который принимал участие в постановке задачи и провел ряд численных расчетов. 3.1, 4.1, 5.3 написаны на основе результатов совместных работ с В. Я. Нейландои, которые принимал участие в постановке задач, анализе результатов ж получил аналитические решения ( 4.1).
3.3 и 5.2 написаны на основе работ выполненных совместно с А. А. Коваленко, который участвовал в постановке задач и провел численные расчеты.
5.1 написан на основе работы выполненной совместно с Г. Н. Дудинын, который участвовал в постановке задачи и провел численные расчеты.
Автор защищает: 1. Развитие асимптотической теории взаимодействия и отрыва на неисследованные ранее явления отрыва ламинарного пограничного слоя под влиянием неблагоприятного градиента давления,
отсоедииения пограничного слоя прп распределенном поверхностном вдуве, а такие анализ влияния разрывных граничных условий на течение в пограничном слое.
2. Создание асимптотической теории воздействия нелинейных нестационарннх возкуїденни на течение в пограничном слое прп стабильном и переменном типе вязко-невязкого взаимодействия.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на 6-й п 7-м Всесоюзных съездах по теоретической и прикладной механике (Ташкент, 1986; Москва, 1991), на Всесоюзной конференции по отрывным и струпным теченияії (Новосибирск, 1988), на симпозиуме UITAIi по отрывным и струйным течениям (Новосибирск, 1990), на школе-семинаре института механики ИГУ (Чегет, 1978), на семинаре по аналитическим методам газовой динаиижи (Самгад, Свердловск,1982), семинарах по проблемам механики жидкостей (Киев, 1980; Одесса, 1981), семинарах Института гидродинаиики и Института теплофизики АН УССР (Алушта, 1990, 1991), на Симпозиуме по теплофизике (Минск 1988), на Гагаринских чтениях (Москва, 1986,1988), школах-семинарах ЦАГИ (пос, им. Володарского, 1989-1992), на семинарах ЦАГИ (руководители В. В. Сычев, В. Я. Нейланд), семинарах ин-та механики МГУ (под руководством Г. Г. Черного), на семинарах по пограничному слою ДИАМ (под руководством Н. В. Белянина), на семинаре ЦНЙИМАШ (под руководством В. В. Лунева), на советско-французском семинаре по ізродинамике, прочности и авиационной акустике (Москва, 1975), га международной конференции по исследованию неустойчивости 'эйлора- Гертлера (Ницца, 1993),международной школе по
применению аналитических методов в аэродинамике (Миедзиздройе,
993). и др.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в
1 работе, список которых приведен в конце автореферата.
- s-
Структура диссертации. Диссертация содержит 223 страницы основного текста, список литературы из 121 работы и 56 рисунков. Текст состоит из введения, пяти глав и выводов.