Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время для защиты от нагрева теплонагруженных поверхностей широко используются уносимые теплозащитные покрытия (ТЗП), применение которых в большинстве случаев оказывается весьма эффективным, однако при этом возможно существенное изменение геометрической формы обтекаемых тел и, как следствие, их динамических характеристик при управлении. Перспективной является также тепловая защита гиперзвуковых летательных аппаратов (ГЛА), основанная на принудительном подводе охладителя через проницаемые поверхности в наиболее теплонагруженные области. В этом случае удается сохранить неизменной геометрическую форму поверхности и, следовательно, ее динамические характеристики и параметры траектории при управлении, что особенно важно для обеспечения высокой точности поведения ГЛА в процессе эксплуатации и управлении (Н.В. Зубов, Я.А. Русакова, 2002, 2005) . Исчерпание значительной части потенциала традиционных теплозащитных материалов стимулирует применение способов принудительного массоподвода для решения принципиальных задач механики газовых течений и динамики движения управляемых тел по траектории полета. Общепринятые газодинамические методы не позволяют решить все насущные проблемы управления потоком, полетом тел в атмосфере и высокотемпературного горения (В.В. Дикусар, М.Кошьяка. А. Фигура, 2001). Для этого требуется дополнительные механизмы воздействия на поле течения при управлении и стабилизации, термодинамические и химические свойства среды.
Разработка методов управления процессами обтекания ГЛА в условиях интенсивного поверхностного массообмена является одним из важнейших направлений современной аэромеханики, которая предполагает комплексное исследование влияния на выбор органов управления и стабилизации.
Следует отметить, что большой вклад в фундаментальное исследование тепломассопереноса внесли С.С. Кутателадзе, А.И. Леонтьев, B.C. Авдуевский, Ю.В. Полежаев, Ф.П. Юревич. Проблема тепловой защиты становится особенно острой при гиперзвуковых скоростях полета ЛА. Так, например, в случае управления нестационарного баллистического полета ГЛА в условиях интенсивного поверхностного массообмена возможно существенное изменение демпфирующих характеристик. Остаются невыясненными важные вопросы, касающиеся реальных значений параметров обтекания управляемого ГЛА при движении в натурных условиях. Вместе с тем, при практической реализации известных методов и методик часто приходится сталкиваться со многими сложностями чисто методического (либо вычислительного) характера. Кроме того, соответствующий статистический материал, получаемый в процессе летных испытаний и применяемый при идентификации аэродинамических характеристик (Н.А. Баранов, А.С. Белоцерковский, М.И. Каневский. Л.И. Турчак, 2001),
вследствие проведения ограниченного количества экспериментов и измерений в условиях их осуществления, как правило, невелик по объему и неоднороден по составу.
Математическое моделирование тепло- и массопереноса является эффективным средством теоретического анализа задач управления и обтекания различных ГЛА в условиях интенсивного поверхностного массообмена, возникающей в тех случаях, когда незащищенная конструкция под действием потоков энергии (конвективных, лучистых, электронных, фотонных и т. д.) разрушается. Сложность задачи предопределяет реализацию эффективных численных методов и алгоритмов в виде комплексов проблемно-ориентированных программ для проведения вычислительного эксперимента с последующей обработкой информации.
Исследования, выполненные различными авторами в последние годы ( ММ. Гилинским, 1983, В.Я. Нейландом, В.А., 1978, Захарченко, 1983, В.П. Стуловым, 1980, В. М. Пасконовым, 1984, В.Н. Харченко, 1981, B.C. Авдуевским, 1975, В.А. Левиным, 1987, И.И. Липатовым, 1980, С.Н. Kruger, 1968, R.L. Chapkis, 1979, Y.R. Anger, 1971, Y.A. Yaitatzes, 1969), показали, что направление, связанное с конструированием и применением консервативных разностных схем для различных задач управления и обтекания ГЛА в условиях поверхностного массообмена, является весьма сложным. В такой постановке задачи все более употребительным, в особенности применительно к системе уравнений Навье-Стокса, становится системный анализ и вычислительный эксперимент, которые заключаются в организации теоретического исследования обтекания ГЛА.
Идентификация систем уравнений газовой динамики для сжимаемого газа на основе ретроспективной, текущей и экспертной информации {Н.А. Северцев, А.И. Дивеев, 2008) первоначально определила применение явных разностных схем. Стремление уменьшить время расчетов для получения стационарного решения привело к использованию в этих задачах неявных разностных схем, к созданию устойчивых разностных схем повышенной точности.
Формализация и постановка задач системного анализа, управления и обработки информации в совокупности осложняют разработку численных алгоритмов (Северцев Н.А., Баранов Н.А., 2008), пригодных для одновременного расчета разнородных областей потока, требует больших затрат машинного времени при их реализации на ЭВМ. С учетом этих факторов разработка критериев и моделей описания и оценки эффективности решения задач управления в условиях поверхностного массообмена с последующим системным анализом и обработкой информации является перспективным. Также весьма актуальными являются задачи по управлению летательными аппаратами по разработке математических моделей с использованием численных методов и комплексов программ применительно к обтеканию сублимирующих и проницаемых поверхностей с интенсивным поверхностным тепломассообменом, обусловленным уносом материала теплозащитных покрытий, либо вдувом охладителя через проницаемые участки поверхности исследуемых управляемых объектов.
Новые разработки включают проведение сложных математических расчетов, реализация которых становится возможной в рамках современных достижений в
развитии как аппаратных, так и программных средств вычислительной техники для принятия решения и обработки информации. Все это обуславливает тот большой интерес, который проявляется к задачам моделирования тепло-массопереноса при оптимизации и управлении: с одной стороны он вызван практическими потребностями в создании надежных конструкций, а с другой стороны - вычислительными возможностями, которых ранее не было. Практическое использование полученных результатов и системный анализ позволит решить некоторые важные технические задачи. Среди них, например, увеличение скорости полета тел метания и ГЛА в атмосфере, увеличение аэродинамического качества управляемых тел, особенно в критических режимах, снижение заметности.
В данной области успешно работают коллективы исследователей ИВТ РАН, МГУ, ИПТМ, МФТИ, ВЦ РАН, ЦНИИМаш и др. К разработке новых технологий управления ГЛА привлечены значительные силы в университетах и специализированных организациях НАСА и ВВС США, а также национальных и международных агентств в Европе и Азии. Повышенный интерес к этой области развития прикладной науки отражается в возросшем числе публикаций по возможному применению массообменных эффектов для решения задач управления и стабилизации в аэромеханике. С другой стороны, многие новые результаты не разглашаются.
В связи с вышеизложенным разработка новых математических моделей и алгоритмов интерпретации натурных экспериментов по тепловой защите поверхностей ГЛА от воздействия высокотемпературных и многофазных газовых потоков является крупной научно-технической проблемой, имеющей важное значение при управлении ГЛА в сложной газодинамической обстановке.
Цель работы состоит в разработке методов системного анализа на основе фундаментального исследования и применения специального математического и программного обеспечения, обработке информации и численных методов для решения задач гиперзвукового обтекания и управления высокоскоростных летательных аппаратов в условиях поверхностного массообмена, а также в создании физических и математических моделей исследуемых многофазных течений с использованием визуализации, трансформации, компьютерных методов обработки стационарного и нестационарного движения ГЛА различных конфигураций с поверхностным тепло- и массообменом.
Научная новизна заключается в создании новых научно обоснованных методов управления и моделирования тепломассообмена, совокупность которых является решением крупной прикладной проблемы при обеспечении теплозащитных свойств управляемых ГЛА. Разработаны, обоснованы алгоритмы решения задач системного анализа, эффективные численные методы с применением ЭВМ по расчету обтекания высокоскоростных летательных аппаратов в условиях тепло - и массопереноса. Реализованы эффективные численные методы и алгоритмы в виде комплексов проблемно-ориентированных программ для проведения вычислительного эксперимента на основе данных натурного аэродинамического эксперимента. Установлены наиболее существенные параметры, влияющие на режимы обтекания сублимирующих
колеблющихся поверхностей. Вскрыты основные взаимосвязи и критерии характеристик теплозащитных покрытий. На основе численного моделирования проведено комплексное исследование параметров многофазного газового потока вблизи сублимирующих стенок с учетом физико-химических превращений.
Достоверность результатов обеспечена математической строгостью выполнения выкладок и преобразований, проверкой наиболее ответственных выводов с применением адекватных математических моделей. Новые математические модели, алгоритмы и системный анализ проверялись на адекватность с использованием данных натурного эксперимента. Положения и выводы, сформулированные в работе подтверждены экспериментами, обоснованы путем рассмотрения их физического содержания и анализа правомерности сделанных допущений. Результаты, представленные к защите, согласуются с данными, полученными в натурных испытаниях, защищены авторскими свидетельствами и патентами.
Практическая ценность данной работы заключается в том, что в ней на основе разработанных методов, показано влияние основных параметров сублимирующих поверхностей на внешнее обтекание управляемых высокоскоростных летательных аппаратов. Разработаны новые методики и алгоритмы интерпретации натурного аэродинамического эксперимента на основе его математической модели и системного анализа.
Сформулированы и обоснованы основные требования, предъявляемые к управляющим системам ГЛА, когда интенсивный вдув оттесняет пограничный слой. Определено влияние интенсивности вдува на внешнее течение и управление обтеканием поверхностей. Созданы экспериментальные модели и методики расчета, позволившие провести оптимизацию газодинамических характеристик ГЛА. Исследовано обтекание моделей ГЛА сложной геометрической формы с учетом физико-химических превращений, распределений давлений и тепловых потоков по их поверхности, а также газодинамических характеристик тел как в условиях распределенного, так и сосредоточенного поверхностного массообмена.
Разработаны, обоснованы и протестированы эффективные численные методы с применением ЭВМ по расчету исследуемых многофазных течений с учетом физико-химических превращений и проведен системный анализ. Предложены методики и алгоритмы в виде проблемно-ориентированных программ для проведения вычислений обтекания тел и поверхностей в условиях интенсивного массообмена в сложной газодинамической среде.
Проведены исследования в области формирующего воздействия газовых потоков на жидкую среду с целью создания, управления и поддержки устойчивой формы жидкости в процессе ее течения с последующими фазовыми превращениями.
Диссертационная работа выполнена в рамках следующих основных проектов:
-«Разработка теоретических и методологических аспектов использования поверхностного массообмена в перспективных технических и технологических системах», финансируемого Фондом изобретений России (проект №94ИС-10) по конкурсу «Интеллектуальная собственность высшей школы»;
-«Разработка технических средств, используемых газодинамические эффекты при создании дезинтегрирующих и сепарирующих установок», финансируемого Центром изобретений Высшей школы России (проект № Ml-544 (95/4ИС-10));
-«Течение пленок и струй жидких металлов в газовых потоках», финансируемого Российским Фондом Фундаментальных Исследований (РФФИ) (проект №93-01-17328-а);
-«Гидрогазодинамика процессов формообразования жидкометаллических сред», финансируемого Российским Фондом Фундаментальных Исследований (РФФИ) (проект №96-01-00564-а);
-«Развитие учебно-научного центра «Теплофизика газодинамических систем», финансируемого из Федеральной целевой программы «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997-2001 годы» (проект №И(А0105-4);
- «Исследование газодинамических и тепловых процессов в системах, создающих формирующий газовый поток, обеспечивающий устойчивую форму жидкой среды и протекания в ней направленных фазовых превращений». Проект представляет собой соглашение о научном сотрудничестве между МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва и институтом механики при МГУ им. М.В. Ломоносова, г. Москва.
Основная часть исследований проведена при выполнении научно-исследовательских работ по планам Министерства обороны и образования РФ. Инвентарные номера и номера госрегистраций: №129308; 13391133919; 138038; 143932; 144108; (8601-0220)/17-16,8701-(8601-0220)/17-86-8701; 138038; М01-8601 («Изменения ЦМ»); 8601/(17-85), 147251; 152336; 8601/( 17-86)-022591 -1/(«Закал-МВО»); 01.9.40002869; 02.990004231.
Апробация работы: Основные положения работы докладывались и обсуждались в МГТУ им. Н.Э. Баумана (кафедры СМ-3, Э1, ФН-1, отдел СМ 1-5); на научно-техническом совете ЦНИИМаш, в научно-исследовательском институте механики МГУ им. М.В. Ломоносова; в Академии народного хозяйства Правительства Российской Федерации; на Всесоюзном семинаре по проектированию и производству систем ракетного и артиллерийского вооружения, Москва - 1986, 1988, 1990; на Всесоюзной конференции молодых ученых по проблемам тепломассообмена в энергетических установках и технологических агрегатах, Днепропетровск -1988; на Всесоюзном семинаре по проблемам физико-химических взаимодействий в механике сплошных сред, Ужгород -1989; на Всесоюзном совещании-семинаре молодых ученых по современным проблемам механики жидкости и газа, Грозный - 1986; на Всесоюзной научно-технической конференции по проблемам роли вычислительного эксперимента при исследовании физико-химических процессов, Иваново-Франковск - 1987; на Всесоюзной конференции по современным методам и достижениям в механике сплошных сред, Москва - 1997; Proceedings the third international conference on experimental fluid mechanics, Korolev (Kaliningrad) Moscow region, Russia - 1997; на Пятом Международном совещании-семинаре по инженерно-физическим проблемам новой техники, Москва - 1998; на Международной конференции «Передовые технологии XXI
века» по теплофизическим. и теплотехническим проблемам перспективных технологий, Москва -1998; на Всероссийских конференциях по проблемам «Необратимые процессы в природе и технике», Москва - 2002, 2004; 2007; 2009 на XII Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам, Владимир-2003; на V Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ-2004), Самара - 2004; на Харьковской нанотехнологической Ассамблее, Харьков, Украина -2006; Methods of aerophysical research 13 th international conference, Novosibirsk, Russia -2006; XVI Международной конференции по Вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС2009), Алушта, Крым-2009; на 2-ой международной научно-технической конференции «Аэрокосмические технологии», посвященной 95-летию со дня рождения академика В.Н. Челомея, Моск. обл., г. Реутов-2009; на XXIX Российской школе по проблемам науки и технологий, посвященная 85-летию со дня рождения академика В. П. Макеева, Челябинской обл., г. Миасс -2009; на 8-й Международной конференции «Авиация и космонавтика-2009», Москва-2009.
Результаты, выносимые на защиту
Математические методы моделирования, численные алгоритмы решения уравнений газовой динамики, результаты расчетов характеристик ударного и пограничного слоев при обтекании комбинированных управляемых тел вращения с интенсивным поверхностным массообменом.
Методика и программа численной реализации задачи сверхзвукового обтекания сублимирующей стенки с газовой струей.
Математические методы и алгоритмы определения демпфирующих характеристик управляемых высокоскоростных летательных аппаратов, а также математические модели обтекания колеблющегося в потоке тела с учетом влияния распределенного вдува газа на динамическую устойчивость при управлении.
Математические модели обтекания затупленных тел, основанные на совместном рассмотрении задач гиперзвукового течения газа и гетерогенных каталитических процессов в рамках теории пограничного слоя. Результаты экспериментальных исследований и численного моделирования по определению параметров пограничного слоя в сверхзвуковом потоке для затупленных тел при прогнозных скоростях химических реакций.
5. Комплексное исследование распределения всех искомых величин
(функции тока, концентраций, температуры), зависимости теплового потока от
параметра вдува для поверхностей с различными каталитическими свойствами, а
также закономерности изменения теплового потока от параметра вдува,
обусловленные диффузией атомов азота и кислорода.
6. Разработка критериев и моделей описания и оценки эффективности
решения задач при исследовании по обтеканию различных управляемых тел
гиперзвуковым потоком газа под воздействием аэродинамического нагрева,
способы управления и защиты от нагрева, а так же соответствующие физические
модели, обусловленные разнообразием конструкций теплонагруженных поверхностей.
Физическая и математические модели течений и методология их анализа и численного расчета, учитывающие физико-химические свойства теплозащитного покрытия, изменение агрегатного состояния уносимых покрытий в процессе создания и поддержания устойчивого режима обтекания высокоскоростных летательных аппаратов.
Математические модели и алгоритмы для описания процесса уноса теплозащитных покрытий в газовом потоке, программы для проведения вычислительного эксперимента по расчету температурных полей в плавящемся теплозащитном покрытии и пористой стенке.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 110 печатных работ, общим объемом 40 п.л., из них в изданиях рекомендованных ВАК 18 п.л. В совместных работах автору принадлежат результаты в равных долях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка используемой литературы. Общий объем диссертации составляет 365 страниц, в том числе 116 рисунка, таблиц 3. Список литературы включает 220 названий.
