Расчетно-экспериментальное исследование взаимодействия газовых потоков с проницаемыми границами Синявин Алексей Александрович Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников Синявин Алексей Александрович. Расчетно-экспериментальное исследование взаимодействия газовых потоков с проницаемыми границами : диссертация ... кандидата физико-математических наук : 01.02.05 / Синявин Алексей Александрович; [Место защиты: Московский государственный университет].- Москва, 2010.- 75 с.: ил. Содержание к диссертации Введение 1 Реализация метода волновой диагностики 19 1.1 Постановка задачи. Основные теоретические предпосылки к проектированию экспериментальной установки ВДГМ 19 1.2 Экспериментальная установка ВДГМ 25 1.2.1 Схема установки 25 1.2.2 Порядок проведения эксперимента 26 1.2.3 Тестирование измерительной системы 27 1.3 Результаты экспериментов 29 1.3.1 Объект испытаний, условия проведения экспериментов 29 1.3.2 Диагностика перфорированных пластин с известной геометрической проницаемостью 29 1.3.3 Диагностика материалов с неопределенной геометрической проницаемостью 35 1.3.4 Испытания в гелиевой среде 3 7 1.3.5 Экспериментальное определение закона проницаемости на околокритических и сверхкритических режимах взаимодействия 38 1.4 Диагностика виртуальных проницаемых материалов 41 1.4.1 Расчетная область, начальные данные, методика обработки результатов 42 1.4.2 Результаты расчетов 42 1.4.3 Пример применения соотношений соответствия 45 1.5 Выводы 46 2 Экспериментальное исследование сверхзвукового обтекания проницаемых экранов 48 2.1 Конструкция модели и условия экспериментов 49 2.2 Результаты экспериментов 52 2.3 Анализ результатов 63 2.4 Численное моделирование 65 2.4.1 Постановка задачи, расчетная область, способ численного моделирования 65 2.4.2 Результаты расчетов 66 2.5 Выводы 68 3 Расчетно-экспериментальныи метод определения граничных функций запирания при наклонном взаимодействии газового потока с проницаемой поверхностью 69 3.1 Постановка задачи 71 3.2 Экспериментальные модели 74 3.3 Результаты экспериментов 75 3.4 Постановка и результаты вычислительного эксперимента 78 3.5 Примеры применения построенных граничных условий 82 3.5.1 Аэродинамические характеристики проницаемой пластинки 82 3.5.2 Симметричное обтекание проницаемого клина 84 3.5.3 Обтекание угла расширения 85 3.5.4 Сверхзвуковое обтекание проницаемого конуса 87 3.5.5 Некоторые обобщения 88 3.6 Выводы 89 4 Дозвуковое обтекание тандема проницаемого и сплошного дисков 91 4.1 Экспериментальная модель, условия эксперимента 91 4.2 Результаты экспериментов 93 4.2.1 Осесимметричное обтекание тандемов сплошных дисков 93 4.2.2 Влияние проницаемости переднего диска 97 4.2.3 Исследование влияния угла атаки 101 4.3 Выводы 102 Заключение 103 Список литературы 106 Введение к работе Задача о взаимодействии газовых потоков с проницаемыми телами возникает во многих актуальных приложениях газовой и волновой динамики. Управление течениями с помощью перфорированных границ: в [23, 93] рассмотрены вопросы создания неотражающих перфорированных стенок в аэродинамических трубах и др. каналах; в [100] исследуются асимптотические законы развития возмущений при течениях газа в окрестности отверстий и вырезов на обтекаемых твердых границах; использование проницаемого участка поверхности и полости под ним, расположенных в окрестности основания скачка уплотнения на профиле при трансзвуковом,обтекании, позволяет снизить интенсивность скачка уплотнения и волновое сопротивление крылового профиля [106]. Уменьшение интенсивности аэродинамических следов, управление неоднородными турбулентными течениями путем преобразования крупномасштабной турбулентности в мелкомасштабную, влияние проницаемости стенок тел на акустические поля: в [72, 87] экспериментально исследуются аэродинамические следы за проницаемым диском, пластиной и др. перфорированными препятствиями;; в [88] анализируется преобразование линейного сдвигового профиля скорости при*просачивании среды через проницаемую перегородку; в [91, 95] оценивается, влияние проницаемости стенок на поглощение и; преобразование акустического шума, в частности; рассматриваются; возможности полезного влияния перфорированных кромок сопел и др. поверхностей на генерацию (снижение интенсивности) акустического шума до- и сверхзвуковых струй, [96]. Аэродинамика парашютных систем: естественная тканевая и искусственная конструктивная проницаемости купола парашюта являются давно применяемым в технике способом управления (сопротивлением) и стабилизации обтекания разомкнутых гибких оболочек, обращенных полостью навстречу потоку, в [52]; в [19] рассмотрены вопросы, численного моделирования проницаемого купола парашюта без учета сжимаемости среды; в» [29] исследованы вопросы . формообразования гибкой проницаемой оболочки в сверхзвуковом потоке газа; в [35] представлены обширные экспериментальные данные об обтекании тел типа купола парашюта в следе за головным телом, выявлены различные схемы течения; (закрытая и открытая), изучены аэродинамические и термодинамические характеристики обтекания купола в том числе: следе с учетом проницаемости; в [53] выполнен расчет течения в ударном слое; перед вогнутым проницаемым экраном в равномерном сверхзвуковом потоке на основе предположения о запирании в отверстиях перфорации, предложено соответствующее граничное условие; в [30] представлены экспериментальные данные о сверхзвуковом обтекании проницаемых дисков и прямоугольников, сделан вывод о существовании режима двойного запирания, когда в донной области за проницаемым экраном формируется сверхзвуковая донная струя, разработан и реализован численный метод расчета сопротивления экрана при реализации данного режима; В [55, 58] представлены экспериментальные данные о характеристиках сверхзвуковых тормозных устройств, предназначенных для использования при движении спускаемых космических аппаратов в атмосферах Земли и др. планет, в частности, - данные об обтекании и аэродинамических характеристиках жестких проницаемых куполов типа конусного парашюта при различных условиях обтекания; в работе [61] исследуется сверхзвуковое обтекание системы двух тел (груз- тормозное устройство), соединены при помощи системы строп (которые по сути представляют собой конический проницаемый экран) при больших числах Маха МИ5-13; в [78, 83] рассмотрены вопросы аэродинамики редких сетчатых экранов в разреженном газе. Экранировка тел от воздействия интенсивных ударно-волновых и тепловых нагрузок: в [22] рассмотрено отражение и проникание плоской ударной волны в канале при взаимодействии с поперечной проницаемой перегородкой, обсуждаются вопросы постановки замкнутой системы граничных условий на проницаемой стенке при» различных режимах взаимодействия; в [24, 32, 54] рассмотрены вопросы снижения импульсных нагрузок от ударных волн, падающих на компоновку проницаемый экран — основная преграда, а также задача об излучении сферических и цилиндрических волн при нестационарном истечении газа при внезапной разгерметизации оболочки, а также автомодельная задача о нестационарном истечении газа в вакуум через проницаемую стенку; в [26, 28, 31] исследовано влияние наведенной неоднородности за редким проницаемым экраном в гиперзвуковом потоке, рассмотрены вопросы экранировки затупленных тел типа цилиндрического торца различными' проницаемыми экранами, даны оценки влияния проницаемости экрана на тепловые потоки на теле; в монографии [36] исследованы общие вопросы взаимодействия ударных волн с проницаемыми границами, предложены различные граничные условия для теоретических постановок задач. Аэродинамика управляющих проницаемых щитков, решетчатых крыльев, антенн, предотвращение отрыва перед препятствием за счет проницаемости последнего: в [76] экспериментально изучено влияние проницаемости щитков, установленных на панели, их аэродинамические характеристики и их способность уменьшать размеры и уровень пульсаций в передних и донных отрывных областях на панели при до- и сверхзвуковых скоростях набегающего потока; В [73] экспериментально рассмотрены свободные колебания по углу тангажа коротких цилиндров с передними дисковыми проницаемыми экранами, показано влияние проницаемости на увеличение демпфирующих свойств экрана; в [77] рассмотрено дозвуковое обтекание перфорированных дисков, показана роль масштаба перфорации на формирование общего сопротивления диска, обнаружены случаи немонотонной зависимости коэффициента сопротивления диска от величины его проницаемости. Расчет систем распределенного вдува/отсоса и теплопередачи с поверхности летательных аппаратов и иных тел: в [98] развит подход моделирования теплопередачи на пористой стенке, в [105, 101] численно и экспериментально исследуются вопросы передачи тепла в канале с проницаемыми преградами при турбулентном течении, рассмотрена теплопередача в зависимости от проницаемости пластины под углом атаки в канале. Выравнивание потоков в каналах и струях: в [38] содержится справочная
информация о гидравлических сопротивлениях и выравнивающих свойствах распределенных систем мелкомасштабных тел при умеренных перепадах давления не приводящих к запиранию потоков; в [19] представлены экспериментальные данные о влиянии поперечных перетеканий в донной струйной пристеночной области за перфорированным экраном; в [4] на примере задачи о взаимодействие струи с бесконечно проницаемой плоскостью показано свойство проницаемой преграды трансформировать ограниченные струи в неограниченные распределенные гладкие потоки. Известны также ряд применений искусственной перфорации кормы быстро летящих осесимметричных тел [46] для управления донным сопротивлением, а также для обеспечения вентилируемости полостей и отсеков летательных аппаратов и в т.п. технических приложениях. Модельные задачи: известен ряд экспериментальных и теоретических работ, направленных на исследование общих свойств взаимодействия потоков жидкости и газа с проницаемыми телами, в [56, 33] рассмотрено сверхзвуковое обтекание однородной и составной пластинок со щелевой перфорацией, не обладающей направляющим действием, введены критерии запирания потока, построены, автомодельные решения; в [34] изучены свойства нелинейных автомодельных решений при сверхзвуковом обтекании конуса с перфорацией, не обладающей направляющим действием при нулевом угле атаки; в [45] построено линеаризованное решение задачи о сверхзвуковом обтекании тонкого проницаемого конуса под углом атаки; [64] дана общая постановка автомодельной задачи о сверхзвуковом обтекании проницаемой пластинки, а также предложен общий подход к моделированию проницаемых границ в виде поверхностей сильного разрыва с системой граничных условий, частично вытекающих из общих интегральных законов сохранения, а частично опирающихся на дополнительные эмпирические данные; в [65] дан обзор модельных задач и результатов по взаимодействию несжимаемой среды с проницаемыми границами; в [65, 66] приводятся данные о деталях истечения струй из отверстий перфорации, в частности, исследуются вопросы определения коэффициента поджатая таких струй; в [70, 85] построены аналитические решения задач установившегося обтекания проницаемых пластин идеальной несжимаемой жидкостью без учета рождения завихренности на перфорации; в [71] представлены экспериментальные данные о влиянии направляющего действия отверстий перфорации на обтекание проницаемых пластин, показано существенное отклонение течения от автомодельной схемы при сверхкритических режимах запирания потока; в [89] рассмотрено влияние сжимаемости потока на коэффициент гидравлических потерь тонких перфорированных преград, предложены выражения для оценок условий запирания потока на перфорации; в работах [9, 16, 17] построен ряд точных решений задач обтекания тел и истечения струй идеальной несжимаемой жидкости при взаимодействии с проницаемыми границами, обладающими направляющим действием, обнаружен эффект немонотонной зависимости сопротивления от степени пористости экранов. Аэродинамика тандемных систем и тел с передними отрывными структурами, это обширная область фундаментальных исследований и ряда важных приложений. При этом в ряде случаев существенным могут быть вопросы учета проницаемости системы соединительных звеньев между телами или непосредственно — самих тел (купола парашюта или переднего проницаемого экрана). Причем нередко в качестве основных могут выступать различные свойства таких тандемов: или увеличение сопротивления, как в случае аэродинамических тормозных систем, или наоборот, снижение сопротивления, как в случае транспортировки крупногабаритных грузов вертолетом с помощью тросовой подвески [41]. Во все\ случаях, проницаемость одного из тел или их элементов нередко представляет собой эффективный способ стабилизации течения и обтекания тандемов. В работах [90, 98] экспериментально, а в [39, 40, 44] численно исследовано обтекание и аэродинамические характеристики тандемов соосных разновеликих дисков, особый интерес представляют обнаруженные режимы и компоновки с аномально низким суммарным аэродинамическим сопротивлением тандемов; в [97, 42, 43, 10-15] изучаются компоновки цилиндров с передними дисковыми экранами, основное внимание уделяется режимам аномально низкого многократного снижения профильного сопротивления; в [94] представлена визуализация трехмерных структур отрывных течений в передней отрывной области в зазоре между диском и телом; в [59, 60] изучается структура течения между телами и их корреляции с, распределением нагрузки на заднее тело; в [62] рассмотрена задача об обтекании тандема с вогнутым задним телом, обращенным полостью вперед. Анализ имеющейся литературы показывает, что проблема выбора системы граничных условий на проницаемой поверхности для адекватной постановки соответствующих задач математического моделирования явлений взаимодействия газовых потоков с проницаемыми телами до сих пор еще содержит ряд трудных вопросов, особенно в случаях, когда проницаемая поверхность является внутренней границей течения. Также можно сделать вывод, что одним из наиболее распространенных режимов взаимодействия высокоскоростных потоков с перфорированными границами являются режимы "запирания", когда параметры потока, на наветренной стороне проницаемой границы экрана перестают зависеть от условий на ее подветренной стороне. Практически во всех известных экспериментальных примерах визуализации обтекания перфорированных тел с большими дозвуковыми и сверхзвуковыми скоростями, на подветренной стороне перфорированной границы наблюдается истечение газовых струек с характерной для сверхзвуковых режимов ячеистой микроструктурой [30, 31, 71]. Это следствие эффекта сжимаемости, приводящего к возникновению в окрестности пор проницаемой стенки трансзвуковых структур, препятствующих прониканию возмущений с подветренной на наветренную сторону экрана. В случае сжимаемых течений имеется большое разнообразие возможных схем взаимодействия и возникает ряд трудностей задания достаточной системы граничных соотношений. Соответствующая качественная теория адиабаты, проницаемой поверхности развита в [25]. В зависимости от степени разреженности газа возможны различные режимы обтекания проницаемых поверхностей, которые определяются наличием нескольких характерных линейных масштабов и, соответственно, — чисел Кнудсена Кп, А„ =—, Л„ ——, Л„ Ч L> Щ 7» п„ h здесь Я - средняя длина свободного пробега молекул, м., L ~ КГ'-ИО'м. - внешний масштаб проницаемого экрана, / - характерный диаметр сквозных отверстий в экране, м., h - размер сплошных элементов внутренней структуры проницаемости, м.. Для сетчатых и перфорированных экранов, как правило справедливы оценки L»l~h, поэтому характерные числа Кнудсена соотносятся как KttL»K ~К . Если Кщ «1, то газ необходимо рассматривать как сплошную среду на уровне всех трех масштабов. Это наиболее трудно исследуемый режим "сплошности" [26]. Граничные условия на проницаемом экране в этом случае представляют собой нелинейную систему соотношений на поверхности разрыва с поверхностными источниками импульса. Соответствующая геометрическая структура обобщенной ударной адиабаты включает ветви различной размерности (кривые, точки и конечные области [25]), что приводит к возникновению различных схем обтекания проницаемых экранов. При теоретическом моделировании проницаемый экран вместе со слоем локального струйного течения интерпретируется как поверхность сильного разрыва с условиями совместности на скачке, учитывающими законы сохранения массы, энергии и изменения импульса (то есть все трехмерные и диссипативные неоднородности включаются в структуру поверхности разрыва) (-) (+) (-) В предположении об отсутствии внешних притоков массы и тепла параметры газа при х=±0 должны удовлетворять следующим общим соотношениям на разрыве (предполагается также, что перфорированная перегородка — жесткая, все непроницаемые детали которой неподвижны [25]): [ри] = 0, [р + ри2~\ = -Х, —+h V2 j = 0 где X - действующая на газ результирующая поверхностных сил на единице площади. Система уравнений одномерных неустановившихся движений идеального совершенного газа является гиперболической при всех значениях независимых переменных и искомых функций. Характеристические направления и характеристические скорости определяются по формулам [37]: Г&: = С(0, (/) = 0, І, П; [dt), С=и, С1=и + а, Сп=и-а. В зависимости от знака характеристических скоростей С" возможны четыре режима взаимодействия, которые в [25] именуются, как Е} (при j = 1;2;3;4) Ех: С'1 <0, С'_1<0 (М_<\, М+<1), Е2:С'! < 0, С'1 >0 (М_<1, М+>1) 3: с!7 >0, С? >0 (М_>1, М+>1), 4: с!' >0, С|7 <0 (М_>\, М+<1) |
1 2 Х-
адиабата Гюгонио,
~- адиабата Пчассона
Геометрическая структура обобщенной адиабаты, удовлетворяющей условиям эволюционности разрывов [8], включает ветви различной размерности (кривые, точки и конечные области). Таким образом, не только вид, но и количество граничных условий может быть различным при различных режимах взаимодействия. Для практического использования этой теории требуется экспериментальное определение двух физических зависимостей^ характеризующих режимы простого и двойного запирания [25, 30]. С этой целью в [27] теоретически сформулирован новый метод волновой диагностики газопроницаемых материалов, заключающийся в "облучении" проницаемого материала нестационарной волной Римана, обеспечивающей за короткое время непрерывное изменение перепада давления на образце от малых докритических до больших сверхкритических значений.
Таким образом, согласно теории обобщенной адиабаты [25] возможны четыре основных режима взаимодействия газового потока с проницаемым экраном, интерпретируемым как поверхность сильного разрыва с ненулевым источником импульса. Эти режимы Е1-Е4 определяются в зависимости от сочетания "дозвук" - "сверхзвук" на наветренной и подветренной сторонах проницаемого экрана. Количество граничных условий совместности^ которые необходимо* задавать на проницаемой поверхности, зависит от режима взаимодействия. В работе [30] был приведен экспериментальный пример двойного запирания (Е2) на изолированном диске в; сверхзвуковом потоке; в* [28, 31] исследовано обтекание компоновки проницаемый диск - цилиндр при докритическом и критическом взаимодействии Е1, однако предсказанный теорией [25] режим Е4 "поглощения" головной ударной волны проницаемым экраном ранее получен не был.
На режиме Е1 требуется одно дополнительное граничное условие, для относительно малых перепадов давления это условие в виде некоторой связи между этим перепадом и расходом через перфорацию можно брать из справочной литературы, например [38], или из опытов на традиционных установках типа показанных на рисунке, взятом из работы [19];
Однако при увеличении перепада вплоть до режима запирания такой способ становится затруднительным, а при испытаниях в средах, отличных от воздуха - практически невозможным. Альтернативой может служить идея волновой диагностики газопроницаемых материалов [27]. Данный метод основывается на использовании свойств так называемого течения простой волны, которое должно возникать около наветренной стороны проницаемой перегородки в канале при падении на неё с обратной стороны нестационарной волны разрежения. В результате обеспечивается непрерывное изменение перепада давления на проницаемом образце от малых докритических до больших сверхкритических значений. При этом до тех пор, пока наветренная сторона образца граничит с областью простой волны, существует возможность с помощью инвариантов Римана и интеграла Пуассона определять все параметры быстро изменяющегося течения с наветренной стороны перегородки (скорость, плотность, температуру, скорость звука и т.д.), измеряя фактически только давление на стенке канала.
В главе 1 рассматриваются вопросы практической реализации данного метода, описывается разработанная экспериментальная установка ВДГМ, развита методика измерений и* обработки результатов волновых испытаний, приводятся данные экспериментальных исследований различных перфорированных и сетчатых мембран в двух газовых средах (воздухе и гелии). Дополнительно предложен и реализован эффективный способ тестирования виртуального газопроницаемого объекта "подструктура" в вычислительной среде универсального компьютерного пакета GDT [92], позволяющий определять соответствие между характерными параметрами виртуальных и эквивалентных физических проницаемых материалов с помощью метода волновой диагностики.
В главе 2 представлены результаты экспериментальных и расчетных исследований структур течений газа около, компоновок затупленных тел с дисковыми проницаемыми* экранами при сверхзвуковом обтекании. Основное внимание уделено вопросу экспериментального воспроизведения всех четырех режимов взаимодействия потока с проницаемым, экраном. Осуществлена визуализация картин обтекания, идентифицированы наблюдаемые режимы взаимодействия, дана их классификация.
Диагностика перфорированных пластин с известной геометрической проницаемостью
Геометрическая структура обобщенной адиабаты, удовлетворяющей условиям эволюционности разрывов [8], включает ветви различной размерности (кривые, точки и конечные области). Таким образом, не только вид, но и количество граничных условий может быть различным при различных режимах взаимодействия. Для практического использования этой теории требуется экспериментальное определение двух физических зависимостей характеризующих режимы простого и двойного запирания [25, 30]. С этой целью в [27] теоретически сформулирован новый метод волновой диагностики газопроницаемых материалов, заключающийся в "облучении" проницаемого материала нестационарной волной Римана, обеспечивающей за короткое время непрерывное изменение перепада давления на образце от малых докритических до больших сверхкритических значений.
Таким образом, согласно теории обобщенной адиабаты [25] возможны четыре основных режима взаимодействия газового потока с проницаемым экраном, интерпретируемым как поверхность сильного разрыва с ненулевым источником импульса. Эти режимы Е1-Е4 определяются в зависимости от сочетания "дозвук" - "сверхзвук" на наветренной и подветренной сторонах проницаемого экрана. Количество граничных условий совместности которые необходимо задавать на проницаемой поверхности, зависит от режима взаимодействия. В работе [30] был приведен экспериментальный пример двойного запирания (Е2) на изолированном диске в; сверхзвуковом потоке; в [28, 31] исследовано обтекание компоновки проницаемый диск - цилиндр при докритическом и критическом взаимодействии Е1, однако предсказанный теорией [25] режим Е4 "поглощения" головной ударной волны проницаемым экраном ранее получен не был.
На режиме Е1 требуется одно дополнительное граничное условие, для относительно малых перепадов давления это условие в виде некоторой связи между этим перепадом и расходом через перфорацию можно брать из справочной литературы, например [38], или из опытов на традиционных установках типа показанных на рисунке, взятом из работы [19];
Однако при увеличении перепада вплоть до режима запирания такой способ становится затруднительным, а при испытаниях в средах, отличных от воздуха - практически невозможным. Альтернативой может служить идея волновой диагностики газопроницаемых материалов [27]. Данный метод основывается на использовании свойств так называемого течения простой волны, которое должно возникать около наветренной стороны проницаемой перегородки в канале при падении на неё с обратной стороны нестационарной волны разрежения. В результате обеспечивается непрерывное изменение перепада давления на проницаемом образце от малых докритических до больших сверхкритических значений. При этом до тех пор, пока наветренная сторона образца граничит с областью простой волны, существует возможность с помощью инвариантов Римана и интеграла Пуассона определять все параметры быстро изменяющегося течения с наветренной стороны перегородки (скорость, плотность, температуру, скорость звука и т.д.), измеряя фактически только давление на стенке канала.
В главе 1 рассматриваются вопросы практической реализации данного метода, описывается разработанная экспериментальная установка ВДГМ, развита методика измерений и обработки результатов волновых испытаний, приводятся данные экспериментальных исследований различных перфорированных и сетчатых мембран в двух газовых средах (воздухе и гелии). Дополнительно предложен и реализован эффективный способ тестирования виртуального газопроницаемого объекта "подструктура" в вычислительной среде универсального компьютерного пакета GDT [92], позволяющий определять соответствие между характерными параметрами виртуальных и эквивалентных физических проницаемых материалов с помощью метода волновой диагностики.
В главе 2 представлены результаты экспериментальных и расчетных исследований структур течений газа около, компоновок затупленных тел с дисковыми проницаемыми экранами при сверхзвуковом обтекании. Основное внимание уделено вопросу экспериментального воспроизведения всех четырех режимов взаимодействия потока с проницаемым, экраном. Осуществлена визуализация картин обтекания, идентифицированы наблюдаемые режимы взаимодействия, дана их классификация.
Глава 3 посвящена вопросу построения граничных условий запирания для общего случая - наклонного взаимодействия потока с проницаемым экраном, перфорация которого обладает направляющим действием. Реализован обратный расчетно-экспериментальный метод определения граничного условия запирания потока на перфорированных границах со структурой проницаемости обладающей и не обладающей направляющим действием. По результатам исследования построены аналитические аппроксимационные соотношения.
В главе 4 представлены новые экспериментальные данные об аэродинамике тандемов дисков, уточняющие и дополняющие известные результаты. Было известно, что общее аэродинамическое сопротивление двух рядом расположенных тел может быть значительно меньше, чем сопротивление каждого в отдельности [90, 97]. В опытах [99] было исследовано осесимметричное обтекание тандемов соосных непроницаемых дисков в низкоскоростном потоке (число Маха М 0.1) и получено немонотонное изменение суммарного сопротивления тандема при увеличении расстояния между дисками, однако из-за возникновения интенсивных колебаний нагрузок на конструкцию данные [99] в ряде случаев содержали пробелы и неточности. В главе также рассмотрены обобщения для ненулевой проницаемости переднего диска и ненулевых углов атаки тандема. Исследовано влияние проницаемости на аэродинамические характеристики тандемов и свойства устойчивости передних отрывных структур в зазоре между элементами тандема. создание экспериментальной установки, реализующей метод волновой диагностики газопроницаемых материалов, получение с её помощью экспериментальных данных о свойствах взаимодействия газовых потоков с проницаемыми материалами на критических и околокритических режимах; разработка эффективных способов тестирования виртуальных газопроницаемых объектов, реализованных в известных CFD-пакетах, и установление соответствия параметров проницаемости виртуальных и физических материалов; постановка и проведение физических экспериментов, позволяющих наблюдать все теоретически возможные режимы взаимодействия высокоскоростных потоков с тонкостенными проницаемыми экранами, включая режим "поглощения" отошедшей ударной волны пристеночной структурой пористого экрана; разработка и реализация расчетно-экспериментального метода определения граничного условия запирания при наклонном взаимодействии сверхзвукового потока с проницаемыми границами, получение эмпирических данных о параметрах наклонного критического взаимодействия; исследование влияния проницаемости на свойства обтекания и интегральные аэродинамические характеристики тандемов тел на примере задачи об обтекании тандемной конструкции пары соосных дисков.
Экспериментальное определение закона проницаемости на околокритических и сверхкритических режимах взаимодействия
Разработана методика и создана экспериментальная установка для волновой диагностики газопроницаемых материалов, получены новые экспериментальные данные о параметрах критического и околокритического взаимодействия газовых сред (воздуха и гелия) с проницаемыми мембранами в канале при нормальном взаимодействии: для перфорированных экранов со степенью проницаемости в диапазоне 5 - 50% зафиксированы процессы непрерывного изменения перепада давления от нуля до сверхкритических значений, воспроизведена экспериментально одна из основных ветвей адиабаты проницаемой поверхности, определены значения критических чисел Маха для режимов простого и двойного запирания; предложен и обоснован обобщенный критерий проницаемости - "критическое число Маха", позволяющий идентифицировать газодинамические свойства материалов с различным строением пористости; разработан эффективный способ определять соответствие между виртуальными и эквивалентными материальными проницаемыми объектами путем сравнения по критическому числу Маха запирания; осуществлено тестирование виртуального проницаемого объекта "подструктура" в вычислительной среде универсального вычислительного пакета Gas Dynamics Tool, определено влияние количества элементарных слоев подструктуры на результирующую проницаемость многослойного виртуального объекта.
Для описания течения в установке ВДГМ использовано решение обратной задачи Римана. На основе решения задачи об отражении центрированной волны разрежения от сплошной стенки определены границы существования течения простой волны в установке ВДПМ. Рассмотрена задача об облучении проницаемой мембраны центрированной волной разрежения. Для режимов, когда перед проницаемым образцом существует течение простой волны разработана методика расчета расхода, скоростного напора и числа Маха по показаниям датчика давления в этих сечениях.
Проведен цикл отладочных запусков нового волнового стенда ВДПМ в режиме, обеспечивающем «облучение» образца проницаемого материала нестационарной волной Римана. Определены безразмерные константы эффективной проницаемости для режима запирания. Выработаны методические рекомендации по практическому использованию установки ВДПМ для диагностики различных проницаемых материалов.
Экспериментально проверены элементы теории адиабаты проницаемой поверхности. Подтверждена теоретическая формула зависимости критического числа Маха от степени проницаемости преграды при различных значениях показателя адиабаты, а также выражение числа Маха двойного запирания. Получены экспериментальные граничные соотношения на проницаемой поверхности для сжимаемой среды во всем дозвуковом диапазоне, включая сверхкритическое взаимодействие.
Экспериментальный метод волновой диагностики проницаемых материалов применен для тестирования виртуального газопроницаемого объекта в компьютерной среде пакета GDT. Из условия совпадения параметров запирания найдено соответствие физического и виртуального параметров пористости. Определена зависимость степени фактической проницаемости от количества слоев виртуального пористого материала. На примере исследования одномерного нестационарного волнового процесса в трубе с проницаемой перегородкой показана возможность правильно моделировать проницаемые границы с помощью виртуального объекта GDT "подструктура". Согласно теории обобщенной адиабаты [25] возможно четыре основных режима взаимодействия газового потока с проницаемым экраном, интерпретируемым как поверхность сильного разрыва с ненулевым источником импульса. Эти режимы Е1-Е4 определяются в зависимости от сочетания "дозвук" - "сверхзвук" на наветренной и подветренной сторонах проницаемого экрана, табл.2.1. Количество граничных условий совместности, которые необходимо задавать на проницаемой поверхности, зависит от режима взаимодействия.
Режимы Е1 и Е2 возможны при любой величине проницаемости 0 г 1, при этом число Маха на наветренной стороне не может превышать своего критического значения, соответствующего запиранию потока, М_ Mt(s,k). Величину М, удобно определять экспериментально методом волновой диагностики, рассмотренным в предыдущей главе. Режим Е2, согласно теории, характеризуется двойным запиранием, при котором числа Маха на наветренной и подветренной сторонах поверхности разрыва фиксированы: М_ -=М,(є,к) \, М+=М„(є,к) \. Режимы ЕЗ и Е4 могут существовать только при достаточно большой проницаемости, причем Е4 характеризуется минимальным количеством граничных условий, так что для него достаточно только общих законов сохранения (1.17), не содержащих параметра проницаемости границы [25]. Экспериментальных данных, подтверждающих реализуемость режима Е4, не известно.
Далее представлены экспериментальные и расчетные данные о структурах течений газа около компоновок затупленных тел с дисковыми проницаемыми экранами при сверхзвуковом обтекании. Основное внимание уделено визуализации картин обтекания проницаемого экрана и идентификации наблюдаемых режимов взаимодействия.
Эксперименты проводились в аэродинамической установке А-7 НИИ механики МГУ (сечение рабочей части 0.6 0.6 м2, рис. 2.1) при числах Маха набегающего потока воздуха М = 3 и 3.5. Характерные значения параметров потока составляли: давление и температура в форкамере Р О.434 МПа, Т0 = 293 К, статическое давление невозмущенного потока Р=0.0117МПа, давление торможения набегающего потока за прямым скачком уплотнения Р0 =0.13 МПа.
Испытывались осесимметричные компоновки затупленных тел с проницаемыми дисковыми экранами с осью симметрии, ориентированной по направлению набегающего потока, отношение диаметра экрана к диаметру заднего тела D,/D2 и 1 (D2 = 0.1 м), рис. 2.2. Число Рейнольдса, вычисленное по параметрам невозмущенного набегающего потока и отнесенное к диаметру заднего тела, составляло 3.1 106 (при М = 3). Загромождение поперечного сечения рабочей части трубы не превышало 2.5%. Варьировались относительное расстояние А = LID от экрана до заднего тела и проницаемость экрана є.
Аэродинамические характеристики проницаемой пластинки
Любой программный продукт, претендующий на правильное моделирование процессов взаимодействия потоков с проницаемыми преградами, должен воспроизводить все четыре режима взаимодействия Е1 — Е4. В тех случаях, когда явно задается эмпирические условие проницаемости, например типа (1.18), режимы Е2 и Е4 воспроизвести заведомо невозможно, поскольку в первом случае задача окажется недоопределенной, а во втором — переопределенной. В данном разделе рассмотрены свойства виртуального проницаемого материала «подструктура» в пакете GDT.
Рассматривается плоская задача о сверхзвуковом обтекании компоновки затупленного полутела с передним проницаемым экраном., рис. 26. Движение газа описывается уравнениями Эйлера, на поверхности тела ставятся условия непротекания. В качестве экрана взят виртуальный материал «подструктура» GDT толщиной в 1 ячейку. В данной постановке задачу можно рассматривать как плоский аналог рассмотренного в эксперименте сверхзвукового обтекания осесимметричной компоновки затупленного тела вращения и дискового проницаемого экрана.
Прямоугольная расчетная область имела равномерную сетку 200 300 ячеек (линейный размер ячейки равен 0.01м). Экран размером 40 1 ячеек располагался на расстоянии 50 ячеек от входной границы расчетной области. В следе за экраном находилось затупленное непроницаемое тело, которое представляло собой прямоугольную полосу высотой 40 ячеек.
Расстояние между проницаемым экраном и телом варьировалось в процессе расчета 0 до трех калибров экрана с шагом в одну ячейку. Задавались следующие параметры невозмущенного сверхзвукового потока на входной границе: Ратм=0.1 МПа, р = 1,29кг/и2, М=3. На остальных трех границах задавались мягкие свободные граничные условия.
Начальные условия: всюду равномерный сверхзвуковой поток, заданный параметр р проницаемости «подструктуры», максимальное расстояние между телом и экраном.
После выхода на установившийся режим обтекания компоновки начальной конфигурации, производилось смещение тела в сторону сближения с проницаемым экраном до минимального расстояния. Затем тело смещалось в обратную сторону до исходного максимального расстояния. Данная стратегия расчета позволяет обнаружить (если есть) гистерезисные режимы обтекания.
Получены поля давления, плотности и числа Маха. Рис. 2.26 - режим Е1 - "одноударная" конфигурация, течение на наветренной и подветренных сторонах проницаемого экрана дозвуковое, М00=3; Л = 0.38; р = 0.21, соответствующая физическая проницаемость є =0.138. Рис. 2.27 - режим Е2 - конфигурация с двумя ударными волнами, течение на наветренной стороне проницаемого экрана дозвуковое, на подветренной стороне сверхзвуковое. М00=3; Л = 2.95; р = 0.61 соответствующая физическая проницаемость =0.51. Рис. 2.28 - режим ЕЗ - "Одноударная" конфигурация, течение с наветренной и подветренной сторон проницаемого экрана сверхзвуковое, Мао=3; А = 1; /7 = 0.85 соответствующая физическая проницаемость =0.795. Рис. 2.29 - режим Е4 - "безударная" конфигурация, режим "поглощения" ударной волны проницаемым экраном, течение с наветренной стороны проницаемого экрана сверхзвуковое, а с наветренной стороны дозвуковое, Мх = 3; Л = 0.6; р-0.85 соответствующая физическая проницаемость є =0.795. Таким образом, методом вычислительного эксперимента в среде пакета GDT воспроизведены все теоретически возможные и наблюдавшиеся в эксперименте режимы взаимодействия (рис. 2.26-2.29). В процессе расчетов для экранов большой проницаемости выявлен режим гистерезиса: границы области существования режима Е4 при непрерывном уменьшении зазора между проницаемым экраном и телом не совпадают. Как было отмечено выше, в эксперименте наблюдалась неустойчивость внутреннего течения связанная с влиянием вязкости потока (локальные отрывы пограничных слоев на соединительных стойках), поэтому границы, полученные экспериментальным путем, на этих режимах не имеют высокой точности и нельзя было достоверно зарегистрировать наличие или отсутствие аэродинамического гистерезиса. Соответствие виртуального параметра проницаемости р и геометрической проницаемости є было установлено в главе 1. Экспериментально исследовано обтекание сверхзвуковым потоком осесимметричной компоновки затупленного тела с проницаемым экраном. Изучены качественные характеристики возникающих течений при различных реализующихся режимах взаимодействия. Впервые экспериментально воспроизведен "безударный" режим обтекания компоновки, характеризующийся "исчезновением" головного скачка уплотнения за счет его поглощения структурой пористости проницаемого экрана. В плоскости параметров задачи дана классификация наблюдаемых экспериментально областей существования различных режимов обтекания компоновки Выполнено численное моделирование взаимодействия тандема со сверхзвуковым потоком. Воспроизведены все наблюдавшиеся в эксперименте основные схемы течения. Наиболее распространенным режимом взаимодействия проницаемых экранов с высокоскоростными потоками газа являются режимы "запирания" когда параметры потока, на наветренной стороне проницаемой границы экрана перестают зависеть от условий на ее подветренной стороне. Практически во всех известных экспериментальных примерах визуализации обтекания перфорированных тел с большими дозвуковыми и сверхзвуковыми скоростями, на подветренной стороне перфорированной границы наблюдается истечение газовых струек с характерной для сверхзвуковых режимов ячеистой микроструктурой [30,31]. Это следствие эффекта сжимаемости, приводящего к возникновению в окрестности пор проницаемой стенки трансзвуковых структур, препятствующих прониканию возмущений с подветренной на наветренную сторону экрана. Выше были рассмотрены вопросы определения условий запирания при нормальном натекании потока на проницаемую границу. Теперь мы рассматриваем общий случай наклонного взаимодействия. При дозвуковой нормальной-компоненте скорости набегающего потока условие его "запирания" должно иметь вид некоторой односторонней связи между параметрами газа только на наветренной стороне проницаемой границы [25]. В достаточно общем случае изотропного строения перфорации граничное условие "запирания" потока эффективно невязкого совершенного газа можно представить как: где V - скорость, Р — давление, р - плотность, є — параметр проницаемости, ф — прочие геометрические параметры проницаемой стенки. Или, в безразмерных переменных:
Осесимметричное обтекание тандемов сплошных дисков
Расположение и устойчивость слоя смешения определяют характер обтекания тандема и его аэродинамическое сопротивление. Минимуму сопротивления тандема отвечает схема течения, в которой слой смешения приходит на кромку заднего диска, занимая положение "от кромки до кромки". Согласно линейной теории гидродинамической устойчивости Рэлея, более толстые и более короткие сдвиговые слои должны обладать большей устойчивостью.
На рис. 4.9 построены зависимости Сх = f(A) коэффициента сопротивления тандема непроницаемых дисков при нулевом угле атаки для d - 0.5, 0.7,1. При d = 1 и d = 0.7 результаты настоящих экспериментов, полученные при М=0.5, хорошо согласуются с данными [99] для М 0.1, что .свидетельствует об отсутствии существенного влияния числа Маха.
Разрывное поведение кривой 2 для d = 0.5 авторы [99] объясняют невозможностью провести измерения из-за возникновения интенсивных колебаний нагрузки на тандем вплоть до разрушения дисков, не обладавших достаточной прочностью. В настоящих экспериментах, благодаря обеспечению достаточной жесткости конструкции моделей, получены достоверные результаты для d = 0.5 во всем диапазоне изменения X. Кривая 4 на рис. 4.2 восполняет пробел в результатах [99] при d = 0.5 .
Для анализа механизмов полученного поведения сопротивления тандемов от расстояния между дисками рассмотрим подробнее результаты визуализации течений для случая d = 0.5.
При 0Я 0.5 реализуется схема, при которой слой смешения наталкивается на плоскую поверхность заднего диска (рис. 4.6), при этом периферийная часть заднего диска взаимодействует с основным потоком, что приводит к достаточно большому сопротивлению тандема (Рис. 4.9). По мере увеличения Л происходит смещение точки присоединения слоя смешения в сторону кромки заднего диска (Рис. 4.7), в результате на всю его поверхность распространяется пониженное давление отрывной области между дисками и суммарное сопротивление тандема достигает минимума. При дальнейшем увеличении X длина слоя смешения увеличивается, происходит его распад на вихревые фрагменты, что приводит к увеличению обмена импульсом между областью отрыва и внешним потоком, увеличению давления на заднем диске и, как следствие, — к плавному увеличению сопротивления тандема (Рис. 4.8). С помощью визуализации картин обтекания установлена причина нестабильности аэродинамической нагрузки на тандем в области минимума сопротивления для d = 0.5 . При Я = 0.24 слой смешения устойчив (Рис. 4.6), однако, занимая при Я 0.5 положение "от кромки до кромки", он с самого начала оказывается слишком протяженным и теряет устойчивость (рис. 4.8), чем больше, Я тем менее устойчивым оказывается слой смешения. Иная ситуация в случае d = 0.7, минимум сопротивления достигается при значительно меньшем расстоянии между кромками дисков, поэтолгу слой смешения в режиме "от кромки до кромки" остается еще устойчивым и лишь при дальнейшем увеличении расстояния между дисками теряет устойчивость.
При d = l минимум сопротивления достигается на довольно значительном удалении дисков друг от друга (Я—1.5), по-видимому, причиной такого поведения является обширность области ограниченной слоем смешения (сходящим с кромки переднего диска) и его неустойчивостью. Слой смешения по мере приближения к заднему диску расширяется, и проходит вне пределов области занятой задним диском. Достаточно большая протяженность слоя смешения порождает его распад на отдельные вихревые структуры, которые по-видимому интенсифицируют обмен массами не только перед задним диском но и за ним (причем более крупные вихревые образования порождают более сильный массообмен на подветренной стороне заднего диска), тем самым поднимая донное давление и снижая сопротивление.
Роль проницаемости определяется влиянием различных факторов, в том числе противоположного характера. В таблице 4.1 представлены некоторые результаты измерения сопротивления тандемов при различной проницаемости переднего диска (для є = 0 даны абсолютные значения Сч, для? = 0.05, 0.1 указана разница по отношению к случаю нулевой проницаемости).
На рис. 4.10 дан пример визуализации мгновенных картин течения около тандема со сплошным (а) и проницаемым (б) передним диском. В первом случае наблюдаются вихревые сгустки, свидетельствующие о потере устойчивости и распаде слоя смешения, во втором — слой смешения гладкий и стабильный, что можно объяснить его утолщением за счет перетекания газа через перфорацию переднего диска.
Механизм увеличения толщины слоя смешения можно представить следующим образом. Просочившиеся через проницаемый диск массы газа сталкиваются со встречным потоком в тороидальной вихревой структуре отрывной области между дисками и оттесняются из центральной части в периферийную область слоя смешения, тем самым, увеличивая его толщину. Поскольку более толстые сдвиговые слои обладают большей устойчивостью, утолщение слоя смешения приводит к снижению интенсивности обмена импульсом между отрывной областью и внешним потоком. В результате, по сравнению с первоначальным неустойчивым состоянием слоя смешения, окрестность кромки заднего диска дольше находится в контакте с областью пониженного давления, что способствует снижению общего сопротивления тандема (рис. 4.11). 1.2
Если же слой смешения между дисками первоначально устойчив, то остается лишь механизм повышения давления в отрывной области между дисками за счет масс газа, прошедших через перфорацию. Поскольку площадь заднего диска больше площади переднего, повышение давления между дисками дает повышение общего сопротивления тандема (рис. 4.12).
Сказанное объясняет причины противоположного влияния проницаемости на коэффициент сопротивления тандемов при d = 0.7 и d = 0.5 в окрестности минимума зависимости Сх = f(A,) (табл. 1). При d = 0.7 минимум сопротивления тандема сплошных дисков достигается при устойчивом состоянии слоя смешения, поэтому проницаемость приводит к увеличению сопротивления. При с/ = 0.5 слой смешения теряет устойчивость раньше, чем занимает положение "от кромки до кромки", поэтому стабилизирующий эффект проницаемости переднего диска дает значительное (до 15%) снижение сопротивления тандема.
Похожие диссертации на Расчетно-экспериментальное исследование взаимодействия газовых потоков с проницаемыми границами
