Введение к работе
Актуальность работы. Развитие космической техники и создание высокоскоростных самолетов вызвало интерес к изучению характеристик возмущений в гиперзвуковых пограничных слоях (ПС). Большое внимание к этой проблеме объясняется не только ее важностью с точки зрения фундаментальных исследований, но и большим прикладным значением. Результаты исследований пограничных и ударных слоев при гиперзвуковых скоростях полета приобретают первостепенное значение при проектировании перспективных летательных аппаратов. Вязкий ударный слой (ВУС) всегда формируется на передних кромках гиперзвуковых летательных аппаратов, где локальное число Рейнольдса еще невелико и вязкие силы доминируют в области течения за головной ударной волной (УВ). Актуальность этих исследований ВУС вызвана необходимостью решения практических задач: проблема теплозащиты для аэрокосмической техники и снижение уровня тепловых потоков, снижение интенсивных силовых и вибрационных нагрузок на конструкцию гиперзвуковых аппаратов, ламинари-зация обтекания и др. Изучение закономерностей развития возмущений, механизма восприимчивости, ламинарно-турбулентного перехода и управления возмущениями в гиперзвуковых течениях представляет собой одну из важных фундаментальных проблем современной аэрогидродинамики.
Цель и основные задачи работы. Целью работы являлось проведение исследований по устойчивости и управлению возмущениями в вязких ударных слоях. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Исследование характеристик среднего течения на заостренных телах при их обтекании потоком газа при больших числах Маха и умеренных числах Рейнольдса; верификация сравнением с различными экспериментальными данными и расчетами других авторов; проведение параметрических расчетов в широком диапазоне определяющих параметров и представление результатов в виде безразмерных универсальных зависимостей;
-
Численное моделирование устойчивости гиперзвукового ВУС в рамках линейной теории устойчивости с учетом влияния УВ, близкорасположенной к ПС;
-
Прямое численное моделирование (ПЧМ) генерации и развития возмущений в гиперзвуковом ВУС на пластине при воздействии на него внешних акустических волн и возмущений, исходящих с обтекаемой поверхности; получение характеристик возмущений в ударном слое при гиперзвуковых скоростях внешнего потока;
-
Постановка модельных экспериментов для верификации данных численного моделирования;
-
Выявление механизмов генерации и развития возмущений в гиперзвуковом ударном слое и определение методов управления интенсивностью пульсаций в ВУС.
Научная новизна.
-
Впервые численно исследована генерация и развитие возмущений в гиперзвуковом вязком ударном слое на пластине под воздействием внешних акустических волн, а также пульсаций типа вдув-отсос от локального источника на поверхности пластины;
-
Показано, что для условий обтекания пластины гиперзвуковым потоком внешние акустические волны, а также пульсации, создаваемые локальным источником вдув-отсос на поверхности пластины, порождают в ударном слое пульсации преимущественно энтропийно-вихревой моды;
-
Получены новые данные о коэффициентах преобразования внешних возмущений на ударной волне и структуре пульсаций в ударном слое с учетом и без учета вязкости;
-
Показано подобие полей пульсаций, генерируемых в ударном слое возмущениями внешнего потока и пульсациями вдув-отсос, а также совпадение величин их продольных фазовых скоростей на границе пограничного слоя;
-
Впервые выполнено прямое численное моделирование восприимчивости ВУС на пластине под углом атаки к внешним акустическим волнам. Особенности взаимодействия акустических возмущений с ВУС исследованы в широком диапазоне частот.
-
Впервые численно реализован интерференционный метод управления интенсивностью пульсаций в гиперзвуковом ВУС на пластине под нулевым углом атаки.
Практическая ценность. Автором получены результаты, расширяющие представления о волновых процессах, происходящих в высокоскоростных вязких ударных слоях.
1. В результате анализа проведенных параметрических расчетов обтекания за
остренных тел гиперзвуковым потоком газа получены универсальные без
размерные зависимости чисел Стантона на пластине и конусе от числа Рей-
нольдса, числа Маха и температурного фактора.
-
Выявлены механизмы генерации и развития возмущений в гиперзвуковых вязких ударных слоях, показаны их отличия от сверхзвуковых пограничных слоев.
-
Получены данные о нелинейных волновых процессах в гиперзвуковых ударных слоях на пластине при многочастотности внешних и внутренних возде-ствий.
4. Реализован интерференционный метод управления интенсивностью пульса
ций в ВУС на пластине под нулевым углом атаки.
5. Выявлены особенности взаимодействия акустических возмущений с ВУС на
пластине под углом атаки.
Личный вклад автора. Все основные результаты работы получены при участии автора. Диссертанту принадлежат: постановки задач, представленных в работе; разработка программы решения уравнений ПВУС и программы решения уравнений Дана-Линя с учетом влияния УВ; проведение расчетов по задаче ПЧМ развития возмущений в гиперзвуковом ВУС на суперкомпьютерах ИТПМ и ССКЦ СО РАН; постановка модельных экспериментов в гиперзвуковой аэродинамической трубе Т-327 ИТПМ СО РАН. Проф. Маслову А.А. принадлежит научное консультирование по задачам, представленным в работе. Экспериментальные данные получены д.ф.-м.н. С.Г. Мироновым и к.ф.-м.н. И.С. Цырюль-никовым. Расчеты в главах 3-6 проводились с помощью программы решения уравнений Навье-Стокса, разработанной к.ф.-м.н. А.Н. Кудрявцевым. Анализ полученных результатов и их верификация проводились совместно с членами исследовательской группы ИТПМ СО РАН: д.ф.-м.н. В.Н. Ветлуцким, к.ф.-м.н. Б.В. Смородским, д.ф.-м.н. С.Г. Мироновым, к.ф.-м.н. А.Н. Кудрявцевым, к.ф.-м.н. И.С. Цырюльниковым и СВ. Кириловским. Реализация применения интерференционного метода управления развитием возмущений в вязком ударном слое производилась по инициативе директора Института академика В.М. Фомина.
Автор благодарит всех членов исследовательской группы за неоценимую помощь в работе и полезные обсуждения.
Текст автореферата согласован с соавторами.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Результаты численного исследования характеристик течения на заостренных телах при их обтекании потоком газа при больших числах Маха и умеренных числах Рейнольдса в рамках модели ПВУС;
-
Данные численного моделирования устойчивости гиперзвукового ВУС в рамках линейной теории устойчивости с учетом влияния близкорасположенной УВ;
-
Результаты прямого численного моделирования генерации и развития возмущений в гиперзвуковом ВУС на пластине при воздействии на него внешних акустических волн и возмущений от источников типа вдув-отсос на обтекаемой поверхности;
-
Определение механизмов генерации и развития возмущений в гиперзвуковом ударном слое;
-
Данные прямого численного моделирования восприимчивости ВУС на пластине при различных углах атаки к внешним акустическим волнам;
-
Численная реализация интерференционного метода управления интенсивностью пульсаций в ВУС на пластине под нулевым углом атаки при многочас-тотности внешних и внутренних воздействий.
Достоверность результатов подтверждается их совпадением с экспериментальными данными, расчетными данными других авторов и результатами, полученными по другим моделям.
Апробация основных результатов. Результаты работы докладывались и обсуждались на: семинарах в Институте теоретической и прикладной механики СО РАН 1990 -2010 гг.; Международных конференциях по методам аэрофизических исследований (ICMAR) (Новосибирск, 1994 - 2010 гг.); Международной конференции «Математические модели и численные методы механики сплошных сред» (Новосибирск, 1996); конференции «Сопряженные задачи механики и экологии» (Томск, 1996); ежегодной конференции немецкого сообщества механиков (Бремен, 1998); XVI международной школе-семинаре по численным методам механики вязкой жидкости (Новосибирск, 1998), 4-й международной конференции по механике жидкостей EUROMECH'2000 (Голландия, 2000); I международной школе-семинаре «Модели и методы аэродинамики» (Евпатория, 2001); 5-й международной конференции по механике жидкостей (Франция, Тулуза 2003); 5-й азиатской конференции по вычислительной механике жидкостей (Китай, Сиань 2006); Всероссийском семинаре по аэрогидродинамике (Санкт-Петербург, 2008); Всероссийской научно-практической конференции «Вычислительный эксперимент в аэроакустике» (Светлогорск, 2006 и 2010); 25-м международном симпозиуме по разреженной газовой динамике (Санкт-Петербург, 2006); Всероссийской конференции «Проблемы механики сплошных сред и физики взрыва» (Новосибирск, 2007); 26-м международном симпозиуме по ударным волнам (Германия, Геттинген, 2007); Международной конференции WEHSFF (Москва, 2007); молодежных конференциях «Устойчивость и турбулентность течений гомогенных и гетерогенных жидкостей» (Новосибирск, 2008 и 2010); Всероссийской конференции «Новые математические модели механики сплошных сред: построение и изучение», приуроченной к 90-летию академика Л.В. Овсянникова (Новосибирск, 2009); VII Всероссийской конференции молодых ученых «Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии» (Новосибирск, 2009); 5-й международной конференции по вычислительной механике жидкостей (Корея, Сеул, 2008); 7-й международной конференции по механике жидкостей EVROMECH (Великобритания, Манчестер, 2008); 7-й Всемирной конференции по экспериментальному теплопереносу (Польша, Краков, 2009); 27-м международном симпозиуме по ударным волнам (Санкт-Петербург, 2009); Всероссийской конференции, приуроченной к 70-летию академика В.А. Левина "Успехи механики сплошных сред" (Владивосток, 2009); на международной конференции «Нелинейные задачи теории гидродинамической устойчивости» (Москва, 2010).
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения и списка литературы из 272 ед. Объем работы составляет 247 страниц, в том числе 143 рисунка.
Публикации. По теме диссертации имеются 42 научные публикации, в том числе 26 публикаций в ведущих научных журналах из перечня ВАК.
