Введение к работе
Актуальность работы. Численное моделирование играет важную роль в исследовании проблем авиационной и космической техники, транспорта, энергомашиностроения, и других отраслях, причём в связи с развитием вычислительной техники и математических методов значение численного моделирования продолжает возрастать. Важнейшее место в решении указанных проблем занимает описание и предсказание аэрогазодинамических процессов при различных значениях режимных параметров.
Одной из проблем, исследуемых в данной работе, является задача о взаимодействии сверхзвуковой недорасширенной струи газа с преградой, расположенной на пути её распространения перпендикулярно оси течения. Как показали многочисленные экспериментальные исследования, для некоторого ограниченного набора исходных параметров, определяющих данный процесс, существующая конфигурация ударных волн в струе теряет устойчивость. При этом стационарное обтекание самопроизвольно переходит в неустойчивое и перед лицевой стороной преграды формируется самоподдерживающийся сильно пульсирующий волновой процесс. Разрушение стационарного течения перед преградой, перпендикулярной оси сверхзвуковой недорасширенной струи, является одним из наиболее интересных физических явлений, отмеченных при изучении струйных течений, и воспринимается исследователями как автоколебания.
В настоящее время существует несколько гипотез о механизме поддержания автоколебаний при взаимодействии сверхзвуковой струи с преградой, что свидетельствует об отсутствии общепринятой теории. Полученные, с помощью физического эксперимента, результаты обсуждаются с различных точек зрения и в связи с этим противоречивы между собой. Работы по численному моделированию данного физического явления имеют единичный характер, применяемые в них численные методики в настоящий момент несовершенны. В связи с этим результаты, представленные в них, являются неполными. Поэтому, в данной ситуации для создания законченной теории о процессе взаимодействия струи с преградой представляются полезными работы, в том числе и по численному моделированию, расширяющие поле параметров этого явления.
Высокоинтенсипные газодинамические течения, вызванные детонацией заряда взрывчатого вещества, используются во многих прикладных задачах.
Движение сходящихся потоков продуктов детонации (или сходящихся ударны, волн) приводит к существенному возрастанию плотности энергии. При этол регистрируется поток продуктов взрыва, движущийся в том же направлении что и детонационная волна, но с большей скоростью. Проводимые физические эксперименты не дают полного представления о механизме и причина> кумуляции, поскольку затруднены из-за высокой скорости протекания процессе и значительного диапазона величин измеряемых параметров. Поэтому численное моделирование данного явления является одним из основны> методов исследования.
Таким образом, можно сделать вывод об актуальности круге рассматриваемых задач.
Основной целью диссертации является численное моделирование и исследование режима автоколебательного взаимодействия при натекании осесимметричной сверхзвуковой струи газа на плоскую преграду, а также детальное изучение на основе численной модели процесса формирования кумулятивной струи продуктов взрыва при детонации плоских параллельных зарядов.
Научная новизна определяется следующими результатами. Исследуются процессы автоколебательного взаимодействия сверхзвуковой недорасширенной струи с безграничной преградой. В результате численного моделирования установлено, что частотные спектры пульсаций давления на преграде содержат несколько дискретных составляющих. Сделан вывод о существовании механизма автоколебаний, основанного на ударно-волновых процессах, протекающих между преградой и центральным скачком уплотнения, без заметного участия внешнего акустического поля. Для исследования процессов формирования сверхзвуковой кумулятивной струи обосновывается использование модели среды, представляющей собой смесь идеальных совершенных газов с эффективным (рассчитываемым) показателем адиабаты. На основе данной модели изучаются режимы растекания продуктов взрыва (ПВ) с фронта детонации взрывчатого вещества (ВВ), последовательная смена которых (от стационарной картины течения до образования сверхзвуковой кумулятивной струи, направленной против основного потока ПВ) происходит в зависимости от величины давления р0 в окружающем заряды ВВ пространстве. Показано, что причиной возникновения сверхзвуковой кумулятивной струи является растекание заторможенных до дозвуковой скорости за отошедшей
ударной волной продуктов взрыва через сужающийся канал, образованный "расслоившейся" контактной границей, примыкающей к плоскости симметрии между зарядами. Делается вывод о том, что условие формирования кумулятивной струи продуктов взрыва, связанное только с появлением дополнительной прямой ударной волны, двигающейся против основного потока продуктов взрыва, не является достаточным.
Достоверность выводов подтверждена сопоставлением результатов численного моделирования с экспериментальными данными, как для автоколебательного взаимодействия сверхзвуковой струи с преградой, так и для детонации плоских параллельных зарядов взрывчатого вещества.
Апробация работы. Основные результаты по теме диссертации докладывались и обсуждались на краевой студенческой научно-технической конференции "Студент, наука и цивилизация" (Красноярск, 1995 г.); на I Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов "Решетнёвские чтения" (Красноярск, 1997 г.); на международной конференции "Всесибирские чтения по математике и механике" (Томск, 1997 г.); на международной конференции "Математические модели и методы их исследования" (Красноярск, 1997, 1999 г.); неоднократно на семинаре ИВМ СО РАН "Математическое моделирование в механике"; на I и II Сибирской школе-семинаре "Математические проблемы механики сплошных сред" (Новосибирск, 1997, 1998 г.); на конференции молодых учёных ИВМ СО РАН (1998, 1999 г.); на международной конференции "Математика в приложениях", посвященной 70-летию академика С.К. Годунова (Новосибирск, 1999 г.).
Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трёх глав, выводов и списка используемой литературы. Материал изложен на 130 страницах машинописного текста. Рисунков - 55. Библиография - 104 наименования.
