Введение к работе
Актуальності, темы.
Многие газодинамические процессы, имеющие место в реальности, протекают в трехмерных обласгах произвольной конфигурации. Трудности исследования таких задач связаны как с геометрией расчетной области, так и со сложностью физических явлений. Математическое описание рассматриваемых в работе процессов основывается на законах термо- и газодинамики. Задача иссчедования сводится к поиску решения соответствующей нелипешюй системы дифференциальных уравнений в частных производных. Основное внимание в диссертации уделяется изучению проблем, которые не имеют аналитических решешгй и полный кошгчесгвенный анализ задач возможен только па основе совремешгых численных подходов.
Темпы прогресса численных методов в значительной мере зависят от качества алгоритмов для описания задач одно- и многокомпонентной газовой динамики, от реализации математических моделей для химических реакций, от качества методов построения сеток, от эффективной обработки большого массива числової"! информации. Перечисленные аспекты математического моделирования являются важными при решении реальных задач и имеют непосредственное отношение к настоящей исследовательской работе. Вопросам совершенствования численных алгоритмов для изучения сложных задач іазовой динамики и проверке их качества посвящена диссертация. Основная часті» приведенных в работе приложений выполнена в связи с изучением реальных изделий и рассмотрена впервые.
Целью работы яшіяетея:
1. Создание эффективной методики по интеїрировашпо полной
системы трехмерных уравнений газовой динамики. Она подразумевает:
разработку метода построения и оптимизации криволинейных сеток в пространственных областях; возможность компоновки сложной расчетной области из нескольких простых подобластей;
разработку алгоритмов численного решения дифференциальных уравнений простого и многокомпонентного газа с учетом процессов тенломассо-переноса, химических реакций на основе произвольного лагранжево-эйле-рова конечно-разностного метода;
- реализацию алгоритмов быстрой обработки результатов трехмерных
нестационарных расчетов.
2. Приложение методики к решению новых актуальных прикладных
задач, связанных с изучением нестационарных процессов в
трехмерных областях сложной конфигурации.
Новизна работы состоит в
- разработке быстрых алгоритмов генерации трехмерных сеток с
исследованием влияния параметров качества на ее структуру;
реализации неявных конечно-разностных схем при интегрировании систем уравнений газовой динамики и химической кинетики; реализация процедуры ускорения расчетов для низкоскоростных течений;
решении новых задач, имеющих существенно трехмерный нестационарный характер.
Достоверность результатов обеспечивается корректностью математической постановки, обоснованностью алгоритмов с раскрытием геометрического и физігческого смыслов отдельных преобразований, проведением тестовых расчетов, сравнительным анализом результатов расчета с аналитическими, экспериментальными и численнььми данными друшх авторов.
Практическая значимость работы. Изложенная в диссертационной работе методика и разработанный па ее основе программный комплекс пригодны для исследования широкого класса задач. Многие блоки программ комплекса имеют универсальный характер, уникальными являются іюднроіраммьі начальных и граничных условий, а также некоторые модули по вводу исходной информации и по обработке результатов счета.
Диссертациошгая работа выполнялась на основе Приказа-Распоряжения N 71/32 от 1 марта 1985 года между Президиумом АН СССР и Мин-сельхозмашем; в соответствии с планом научных иселедовашій Института механики и машшюстроешш по бюджетной теме РАН (номер государственной регистрации 01.9.60. 000596). Проблемно ориентированные варианты программного комплекса были реализованы по заданию ПО ЕлаЗ и АО КамАЗ и нереданы им в віще программ на PC и научно-технических отчетов.
На защиту выносятся следующие результаты:
1. Разработка методики по решению трехмерных уравнений газовой динамики в областях сложной конфигурации. Она включает:
задание реальной геометрии объекта и построение трехмерных криволинейных сеток для областей произвольной формы; возможность компоновки сложной расчетной области из нескольких простых подобластей; автоматическую обработку результатов расчетов;
интегрирование трехмерных нестационарных уравнений для одно-и многокомпонентной газовой динамики на основе произвольного лагран-жево-эйлерова конечно-разностного метода как для адиабатических течений, так и для процессов с интенсивным теплоподводом.
2. Приложения разработанной методики к решению существенно трехмерных задач газодинамики, в которых рассматриваются:
исследование процесса холодной продувки прямоточного впускного канала, анализ задачи о движении воздуха в полости винтового канала двигателя с цилиндрической камерой сгорания при наличии впускного клапана; анализ основных особенностей в нестационарном режиме с учетом образования закрутки потока; исследование движения газа в цилиндре двигателя с камерой сгорания в днище поршня на тактах сжатия и расширения, оценеику влияния геометрии камеры сгорания на струкгуру потока в компоновке "цилиндр плюс камера сгорания";
моделирование газодинамических процессов при наличии интенсивного теплоподвода; исследование термогазодинамического процесса в печи атомизатора; описание модели нагрева платформы за счет теплового излучения; анализ расчетов для реального прибора и сравнение с данными экспериментов;
методика расчета нестационарных явлений в многокомпонентной газовой среде с учетом физико-химических превращений; анализ сложных процессов в дисперсионной смеси для модельної! камеры сгорания на такте сжатия.
Апробация работы.
Основные положения диссертации докладывались на: V Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике (Алма-Ата, 1981); Научно-технической конференции "Мехашгка сплошных сред" (Набережные Четны, 1982); Семинаре ВЦ АН СССР под рук. проф. Шмьилевского Ю.Д. (Москва, 1984); Семинаре академика Рахмазулина Х.А. (Москва, 1984); Секпшаре академика Самарского А.А. (Москва, 1984); Всесоюзної! летней школе по теорші взаимодействия упругих оболочек с жидкостью, газом и твердым телом (Казань, 1986); Всесоюзной школе-семннаре "Математическое моделирование в науке и технике", (Пермь, 1986); VTIT Всесоюзном симпозиуме по распространению упругих и упруго-пластических волн, (Новосибирск, 1986); I Всесоюзном рабочем совещании по методам построения сеток, (Свердловск, 1987); Семинаре им. К.И. Бабенко в ИПМ им. М.В.Келдыша, (Москва, 1987); Всесоюзной научно-технической конференции "Перспективы развития комбшшрованных двиттелей внутреннего сгорания и двигателей новых схем и на новых тошшвах" (Москва, 1987); VII Всесоюзном семинаре "Теоретические основы и конструироваїше численных алгоритмов решения задач математической физики" (Кемерово, 1988); II Всесоюзном рабочем совещании по методам построения сеток (Кемерово, 1988); VIII Всесоюзной научно-
технической конференции "Создание компрессорных машин и установок.", (Сумы, 1989); Семинаре академика Сидорова А.Ф. (Свердловск, 1989); III Международном Семинаре "Структура шіамени" (Алма-Ата, 1989); защите научно-технических отчетов в отделе пивного консгруктора ПО ЕлАЗ в 1986— 1990ir, защите научно-технических отчегов в отделе главного конструктора АО КамАЗ в 1991-1992гг, V Всероссийском совещании "Проблемы построения сеток для решения задач математической физики" (Казань, 1994); Международной конференции "Фундаментальные исследования в аэрокосмической науке" (Жуковский, 1994); Семинаре академика Нигматулина Р.И. (Уфа, 1996); Международной конференции по спектроскопии CSI (Буэнос-Айрос, Аргентина, 1996); Итоговых конференциях Казанского государственного университета (1989 -1996 гг.); Итоговых научных конференциях Казанского физико-технического института КФ АН СССР (Казань, 1980- 1996 гг.); Итоговых научных конференциях Института механики и машиностроения КНЦ РАН (Казань, 1993-1996 гг.).
Объем її структура диссертации. Публикации. Диссертация изложена на 269 страницах машинописного текста, состоит из введения, пяти глав и выводов. Работа содержит 3 таблицы, 138 рисунков. Список использованной литературы содержит 182 наименования. Основные результаты диссертации опубликованы в 33 работах, список которых содержится в конце автореферата.
