Введение к работе
Актуальность темы. Одним из проявлений воздействия концентрированных потоков энергии на поверхность металлической стенки является ее разрушение в виде уноса части материала, т.е. абляция. Явление абляции металлической стенки имеет место в самых различных случаях: при вхождении спускаемых космических аппаратов в атмосферу, в энергетических установках, технологических обрабатывающих процессах. Источниками концентрированных потоков энергии, приводящих к абляции, могут являться электронно-лучевые пучки, лазерное излучение, плазма.
В последнее время стали появляться технологии обработки материалов основанные на воздействии плазмы, сгенерированной взрывом конденсированного взрывчатого вещества. Такое воздействие включает в себя не только интенсивные тепловые потоки, но и высокое давление и контакт стенки с плотной газовой средой, препятствующей или, наоборот, способствующей эвакуации продуктов абляции в случае интенсивной конвекции вблизи поверхности. Управление плазменным воздействием и его оптимизация необходимы в задачах теплозащиты, для совершенствования и дальнейшего развития старых, а также разработки новых технологий. Все это делает весьма актуальным детальное изучение механизма абляции и разработку способов теоретического предсказания результатов воздействия плазмы на материалы.
На основе экспериментальных исследований можно строить лишь косвенные суждения о механизме абляции. Теоретический же анализ практически невозможен из-за сложной взаимосвязи и нелинейности протекающих при этом процессов. Ввиду этого представляет интерес численное исследование механизма абляции путем компьютерного моделирования.
Цель работы. Работа посвящена разработке двумерных математической и численной моделей и проведению на их основе исследования механизма абляции неплоской поверхности металлической стенки при воздействии на нее плазменных потоков полученных с помощью взрыва конденсированного взрывчатого вещества.
При этом рассмотрение ограничивается явлениями протекающими при контакте стенки с отраженной ударной волной, фронт которой параллелен поверхности стенки. Последнее позволяет пренебречь конвективным воздействием плазменного потока на поверхность.
Научная новизна. Новыми в диссертации являются:
-
Построение одного из вариантов физической картины явления абляции с выделением в ней четырех сопряженных друг с другом процессов. Подход к построению полной математической модели явления абляции и к построению ряда упрощенных математических моделей, исключающих из рассмотрения некоторые процессы.
-
Одномерная и двумерная формулировки математических задач тепловой модели абляции, основанной на тепловом процессе, результаты которых согласуются с экспериментом.
-
Способ численного решения задач, основанный на принципе расщепления по физическим параметрам.
-
Новый эффективный численный метод решения двумерных многофазных задач типа Стефана и задач описываемых системами уравнений дивергентного вида для областей сложной геометрической формы, изменяющейся со временем.
-
Результаты численного исследования механизма и динамики уноса вещества с металлической поверхности под воздействием плазмы отраженной ударной волны. Возможные пути оптимизации воздействия, приводящие к выглаживанию поверхности в двумерном случае.
Практическая ценность. Разработанная модель механизма явления абляции металлической поверхности при воздействии плазмы отраженной ударной волны позволяет судить о динамике быстропротекающих процессов, приводящих к уносу вещества с поверхности. Изучение поведения разработанной модели позволяет сформулировать рекомендации по оптимизации технологий обработки материалов при воздействии плазмы отраженной ударной волны. Созданные новые численные алгоритмы делают доступным решение многомерных задач, описываемых параболическими уравнениями или системами уравнений дивергентного вида в изменяющихся со временем областях со сложными нелинейными граничными условиями.
АпроОация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на IV Всесоюзной школе молодых ученых и специалистов "Современные проблемы теплофизики" (Новосибирск, 1986); на Всесоюзной школе молодых ученых и специалистов "Вычислительные методы и математическое моделирование" (Шушенское, 1986); на I и III Всесоюзных школах молодых ученых "Численные метода механики сплошной среды" (Шушенское, 1987; Абрау-Дюрсо, 1991); на конференциях в СКВ гидроимпульсной техники (Новосибирск, 1990) и в МФПМ (Томск, 1991); на Международной конференции "Тепловая обработка материалов" Китай, Харбин, 1991; на семинарах по механике сплошной среды в ИТІШ (Новосибирск) и Красноярском госуниверситете.
Публикации. По теме диссертации опубликовано II работ в научных сборниках и журналах.
Обьем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав и заключения, изложенных на 121 страницах (включая 23 рисунка и 5 таблиц). Список цитируемой литературы содержит 129 наименований.