Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. Вопросы совершенствования техники и методики аэрофизического эксперимента является неотъемлемой частью общей проблемы развития аэро-космических летательных аппаратов. Современная экспериментальная база аэродинамики представлена обширным арсеналом аэродинамических труб и различных стендов, предназначенных для решения широкого круга задач аэрофизического моделирования. Сложность и многоплановость „ этих задач обусловливает актуальность разработки средств математического моделирования аэрофизических процессов, определяющих функционирование экспериментальной базы, соответствующих средств диагностики течений, а также инженерных методов обработки и представления информации. Подобные средства позволят решить вопросы калибровки и стандартизации аэродинамических установок, а в процессе их практического применения позволят обеспечить адекватность интерпретации экспериментальных данных, повысить информативность и качество исследований. При этом углубленное понимание природы и особенностей аэрофизических процессов в экспериментальных установках открывает дополнительные возможности совершенствования техники и методики аэродинамического эксперимента.
Практическое функционирование экспериментальных установок обычно связано с проявлением тех или иных свойств реального газа. К таким - свойствам относятся явления межмолекулярного взаимодействия и переноса, физико-химических и агрегатных превращений. Одним из характерных примеров внутренних превращений яьляется конденсация. Это явление изменяет теплофиэическую структуру рабочей среды и, таким образом, ограничивает допустимые пределы расширения потока и диапазоны изменения параметров торможения. Термодинамическим условием начала конденсации является реализация состояния насыщения, причем в этом случае необходимо наличие поверхностей для отложения конденсированной фазы. Если рабочий газ достаточно чистый, то расширение потока сопровождается переохлаждением, которое разрушается в скачке конденсации после достижения некоторой предельной величины.
Важность получения достоверных данных о допустимых
уровнях переохлаждения очевидна, поскольку появляется возможность снизить величину предварительного подогрева по сравнению с необходимой для реализации ненасыщенного состояния потока во всем поле течения. Это открывает пути для повышения чисел Рейнольдса, расширения рабочих диапазонов экспериментальных установок и экономии определенных количеств энергии.
При реализации больших чисел Маха температуры торможения, соответствующие началу конденсации, могут быть настолько велики, что в газе начнут возбуждаться внутренние степени свободы молекул. При этом расширение высокоэнтальпийного газа в сопле типичной гиперзвуковой аэродинамической трубы, как правило, сопровождается замораживанием релаксации, когда состав газа и энергия, связанная с возбуждением внутренних степеней свободы, практически постоянны на протяжении последующего расширения. В результате газ в рабочей части экспериментальной установки может быть в неравновесном состоянии, обусловленном в одних случаях задерживанием фазового перехода, в других -возбуждением внутренних степеней свободы молекул, а также сочетанием этих состояний. Подобная ситуация не отвечает условиям полета в атмосфере и отсюда возникает вопрос, насколько пригодны такие течения для задач моделирования.
Среди возможных процессов внутренних превращений переохлаждение потока и колебательная релаксация не изменяют химического состава рабочей среды, сохранение которого является одним из существенных условий аэрофизического моделирования. Данное условие послужило естественным ограничением рассмотренных диапазонов чисел Маха и параметров торможения. Для течений азота это температуры торможения от криогенных до величин ~ ЗОООК и числа Маха от трансзвуковых до значений " 25. Для течений воздуха это температуры торможения от условий атмосферы до величин ~ 1800К и числа Маха от трансзвуковых до значений 15.
Современные достижения в исследованиях неравновесных течений нашли отражение в многочисленных публикациях. При этом специфика аэродинамических труб как газодинамических устройств, а также специфика их практического применения оставили достаточно широкое поле для исследований и определили актуальность постановки следующих вопросов в качестве ЦЕЛИ ДИССЕРТАЦЙОШОЯ РАБОТЫ:
- разработка моделей неравновесного фазового перехода в
условиях, типичных для течений в аэродинамических установках;
газодинамический анализ математической модели двухфазной среды применительно к начальной стадии конденсации;
анализ условий подобия и моделирования соответствующих аэрофизических явлений, направленный на создание инженерных методов обобщения и представления результатов экспериментов;
разработка надежных средств численного моделирования стационарных и нестационарных течений конденсирующихся и релаксирующих рабочих сред в проточных трактах „экспериментальных установок, пригодных для сопровождения аэродинамического эксперимента;
анализ условий возникновения в трансзвуковых аэродинамических трубах автоколебательных режимов течения, инициированных спонтанной конденсацией, и способов управления такими режимами;
- исследование общих закономерностей формирования
слабосконденсированных течений в профилированных и
конических соплах аэродинамических труб и разработка
инженерных методов расчета их параметров;
- анализ условий применимости слабосконденсированных и
неравновесных течений для традиционных задач
аэродинамического моделирования и особенностей их
экспериментального исследования.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. В диссертации развито перспективное научное направление физической газовой динамики, связанное с проблемой математического моделирования стационарных и нестационарных внутренних течений в условиях нелинейного взаимодействия релаксационных процессов и структуры газодинамического поля.
На защиту выносятся следующие НОВЫЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ:
материалы анализа модели двухфазной среды для начальной стадии конденсации, который показал, что такая среда эквивалентна псевдогазу с показателем адиабаты, зависящем от массовой концентрации конденсата;
условия подобия течений инертного разбавителя с конденсирующейся примесью в соплах, главные из которых заключаются в термодинамическом подобии примесей, в воспроизведении показателя адиабаты смеси, концентрации примеси и отношения молекулярных масс примеси и несущего
. газа;
- метод приближенного подобия течений с конденсацией и
колебательной релаксацией - энтропийная корреляция;
три феноменологические модели неравновесной конденсации, а именно: модель взаимосвязанного протекания спонтанной конденсации и колебательной релаксации высокоэнтальпийных течений азота, модель полидисперсной гетерогенно- гомогенной конденсации, модель неравновесной конденсации воздуха;
- два варианта алгоритма Мак-Кормака для расчета
стационарных и нестационарных осесимметричных трансзвуковых
течений с . равномерной аппроксимацией второго порядка в
радиальном направлении;
- результаты численного моделирования, на основе которых
показана принципиальная возможность возникновения
автоколебательных режимов течений криогенного азота и
влажного воздуха в трансзвуковых трубах в реальном диапазоне
параметров торможения и определены геометрические параметры
плоских сопел Лаваля, обеспечивающих стационарность течений;
результаты численного моделирования влияния формы канала и кинетической модели колебательной релаксации на формирование высокотемпературных трансзвуковых течений азота, на основе которых определена конфигурация контура трансзвуковой части сопла, обеспечивающая стабильность и бездефектность релаксирующего потока;
два пакета алгоритмов численного моделирования двумерных релаксирующих течений в соплах гиперзвуковых аэродинамических труб, параллельное применение которых обеспечивает адекватную интерпретацию структур газодинамического поля в проточном тракте экспериментальных установок;
- результаты численного моделирования, на основе которых
показано, что в профилированных соплах возможно устойчивое
состояние переохлаждения ~ 8-:-10К, позволяющее увеличить
числа #Е в 1.5-:-2 раза за счет снижения температуры
торможения;
результаты анализа основных требований к точности газодинамических методов диагностики конденсации и условий применимости для этих целей трубки Пито и термопарного термоанемометра;
обоснование применимости переохлажденных потоков и колебательно-неравновесных потоков для традиционных задач аэродинамического моделирования в приближении течений
совершенного газа.
Полученные результаты или не имеют аналогов и обладают несомненным приоритетом', или получены независимо и самостоятельно, или являются существенным развитием и обобщением предшествовавших исследований и применением их результатов в принципиально новых условиях.
ДОСТОВЕРНОСТЬ представленных результатов обосновывается сопоставлением с материалами экспериментальных исследований и некоторых теоретических работ, признанных в качестве эталонов, использованием всесторонне апробированных методов расчета, а также параллельным применением независимых алгоритмов, имеющих различную разностную реализацию конкретной задачи численного моделирования течении.
НАУЧНАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ценность полученных результатов состоит в последовательном и достаточно глубоком анализе' различных аспектов газодинамического проявления неравновесного фазового перехода в соплах аэродинамических труб в диапазоне чисел Маха от трансзвуковых до гиперзвуковых, в разработке моделей неравновесной конденсации конкретных рабочих сред, в разработке инженерных методов обработки и представления информации, в создании пакетов прикладных программ численного моделирования течений, пригодных для сопровождения аэродинамического эксперимента и направленных на повышение его информативности и качества. Методы и основные результаты, полученные в диссертации, представляют интерес для специалистов в области экспериментальных и теоретических работ прикладного характера.
ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА. Результаты, представленные в диссертации, получены лично автором и частично в соавторстве. Так 1.1, 1.4, глава 2, 3.3-3.5, 4.1, 4.2, 4.4, 4.5, глава 5, 6.2, 6.3 содержат результаты, полученные лично автором.
1.2, 1.3 написаны на основе результатов совместных работ с С.Н.Арслановой. При этом Арслановой С.Н. принадлежат идея распростронения принципа энтропийной корреляции скачков конденсации, который был сформулирован ранее автором диссертации для однокомпонентних течений, на течения двухкомпонентных сред и результаты предварительного анализа условий приближенного подобия таких течений.
3.1 написан на основе результатов совместной работы с Г.А.Салтановым. При этом Салтанову Г.А. принадлежат идея
применения модели гетерогенно- гомогенной конденсации и численного алгоритма, разработанных в диссертации для расчета сопловых течений водяного пара с целью интерпретации результатов экспериментальных исследований таких течений, выполненных в МЭИ.
3.2 написан на основе результатов совместных работ с Г.А.Филипповым, Г.А.Салтановым и Г.П.Симановским. В данных работах использован алгоритм численного моделирования одномерных нестационарных течений со спонтанной конденсацией в соплах Лаваля, базирующийся на методе С.К.Годунова, который был разработан на Кафедре паро- газо турбин МЭИ Г.А.Салтановым и Г.П.Симановским под руководством Г.А.Филиппова. Алгоритм был модифицирован в диссертации для расчета гетерогенно- гомогенной конденсации нестационарных течений азота.
4.3 написан на основе результатов совместной работы с В.П.Верховским и В.Н.Филипеяковым. Верховскому В.П. принадлежит идея применения алгоритма численного моделирования нестационарных течений влажного воздуха в двумерных соплах Лаваля, разработанного в диссертации, для анализа природы волновых возмущений потока в сопле крупномасштабной трансзвуковой аэродинамической трубы ЦАГИ. Верховскому В.П. совместно с Филипенковым В.Н. принадлежат результаты соответствующих экспериментальных исследований.
6.1 написан на основе результатов совместной работы с М.В.Безменовым и Л.П.Вронской. При этом автору диссертации принадлежит идея применения термопарного термоанемометра в качестве детектора наличия в потоке конденсата, частично -результаты оценки конструктивных параметров прибора и анализа материалов измерений. Вронской Л.П. принадлежит разработка общей конструкции и изготовление термоанемометра. Беэменову М.В. принадлежат результаты практического применения термоанемометра и, частично, результаты оценки конструктивных параметров прибора и анализа материалов измерений.
Наряду с упомянутым выше в диссертации были использованы алгоритм расчета плоских течений в сопле Лаваля методом установления и маршевый алгоритм расчета плоских течений.в сверхзвуковом сопле оптически активных сред, разработанные в Казанском авиационном институте на основе алгоритмов А.Д.Рычкова и переданные автору диссертации в порядке научно- технического обмена. Алгоритмы модифицированы для
расчета осесимметричных течений на основе двух вариантов схемы Мак-Кормака с раввомернои аппроксимацией второго порядка в радиальном направлении и прииенены в задачах численного моделирования стационарных и нестационарных течении с конденсацией и колебательной релаксацией. Кроме этого в диссертации использован маршевый алгоритм В.И.Благосклонова и М.Я.Иванова, который был приспособлен для расчета течений с конденсацией и колебательной релаксацией. Алгоритм был модифицирован с целью повышения порядка аппроксимации на основе принципа минимального значения производной В.П.Колгана, а также с целью учета переменности показателя адиабаты в задаче взаимодействия потоков при расчете конденсации двухкомлонентных сред.
АПРОБАЦИЯ работы. Материалы, вошедшие в диссертацию, , докладывались на 7-ой и 8-ой конференциях по аэродинамике гиперзвуковых скоростей ЦАГИ (1972,74г.), на III Всесоюзном семинаре по моделям механики сплошной среды в Петергофе, 1975г., на Всесоюзном симпозиуме по методам аэрофизических исследований в ИТПМ СО АН СССР, 1976г., на Всесоюзной конференции "Теплофизика и гидро- газодинамика процессов кипения и конденсации" в Риге, 1982г., на школе- семинаре "Фундаментальные проблемы физики ударных волн" в Азау, 1984г., на VIII Всесоюзной конференции по динамике разреженных газов в Москве, 1985г., на XIV Всесоюзной конференции "Актуальные вопросы физики аэродисперсных систем" в Одессе, 1986г., на "Гагаринских научных чтениях по космонавтике и авиации" в Москве, 1986г., на Всесоюзном семинаре "Физика кластеров" в ИТФ СО АН СССР, 1987г., на IV Всесоюзной конференции "Кинетические и газодинамические процессы в неравновесных средах" в Москве, 1988г., на X Юбилейной научно- технической конференции НИО-8 ЦАГИ по аэродинамике больших скоростей в Жуковском, 1989г., на I Всесоюзной конференции по "Математическому моделированию физико- химических процессов в энергетических установках" в Казани, 1991г., на VII Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике в Москве, 1991г., на Школах- семинарах ЦАГИ "Механика жидкости и газа" в 1991, 1992 и 1994гг., на Международной конференции "Методы и средства аэрофизических исследований" в ИТФ СО РАН, 1992г., на Международной конференции "Фундаментальные исследования в аэрокосмической науке" в ЦАГИ, 1994г., на Первой Российской национальной конференции по теплообмену в Красногорске, 1994г.
ПУБЛИКАЦИИ. Основное содержание диссертации опубликовано в З'ї работах, список которых приведен в конце автореферата.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Работа состоит из шести глав и заключения. Содержит 255 страниц текста и 78 страниц рисунков. Список цитированной литературы насчитывает 21А наименований.