Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время в связи с развитием космической техники, позволяющей решать как народохозяйствен-ные, так и научные задачи, остается актуальной проблема входа в атмосферу Земли и других планет тел, движущихся с большими скоростями. Причем на современном этапе создания сверхзвуковых летательных аппаратов возникает ряд проблем, связанных с совершенствованием традиционных конфигураций. Проводится поиск новых пространственных форм, обладающих оптимальными аэродинамическими характеристиками при сверхзвуковых скоростях. В связи с разработкой гиперзвукового самолета представляет интерес изучение обтекания плоских элементов - крыльев при больших сверхзвуковых скоростях и различных режимах течения. Кроме того, сложной и важной проблемой аэродинамики является исследование взаимодействия неравномерных сверхзвуковых потоков с летательными аппаратами. К задачам, посвященной этой тематике, относятся такие исследования как сверхзвуковое течение около тела с установленными впереди него иглой и щитком, движение тормозного устройства, соединенного с передним телом стропами или жесткой штангой, обтекание двух раздельно летящих тел, одно в следе другого.
В экспериментальных исследованиях, посвященных изучению сверхзвукового движения тела в дальнем или ближнем следе, рассматривается достаточно узкий диапазон чисел Рейнольдса и Маха. Наличие большого числа дополнительных определяющих параметров (характеризующих относительные размеры тел, расстояние между ними, тепловое состояние поверхностей) делает затруднительным или невозможным моделирование сверхзвукового обтекания тел потоком типа следа на существующих экспериментальных установках сразу по всем основным параметрам. Кроме того, экспериментальное моделирование движения тела в дальнем следе оказывается чрезвычайно трудоемким и дорогостоящим. Поэтому единственно возможным и приемлимым инструментом исследования является вычислительный эксперимент. Основные требования к используемой численной методике состоят в достоверности полученных результатов и эффективности их достижения. Численное решение полных уравнений Навье-Стокса служит основой такого вычислительного эксперимен-
та, однако требует больших затрат времени счета и оперативной памяти ЭВМ. При расчете сравнительно простых течений необязательно обращаться к решению полных уравнений Навье-Стокса. При отсутствии отрывных течений эффективными является использование упрошенных уравнений Навье-Стокса таких как, например, уравнения тонкого вязкого ударного слоя (ТВУС). Эта модель адекватно описывает течение вязкого газа около тела, находящегося в сверхзвуковом потоке и, в частности, в сверхзвуковом следе, когда ударный слой является тонким.
Несмотря на достаточно большое число работ, посвященных решению задачи о сверхзвуковом обтекании затупленных тел, аэродинамические характеристики и тепловой обмен при ламинарном, переходном и турбулентном режимах течения около затупленного тела на протяжении всей траектории недостаточно изучены. Исследованию указанной актуальной проблемы посвящена диссертационная работа.
В данной работе исследование сверхзвукового обтекания гладких затупленных удлиненных тел неравномерным потоком вязкого газа проводится с использованием уравнений тонкого вязкого ударного слоя. Указанные уравнения содержат члены уравнений пограничного слоя и невязкого ударного слоя в гиперзвуковом приближении. В случае равномерных потоков уравнения ТВУС дают результаты близкие к решению уравнений Навье-Стокса в широком диапазоне чисел Рейнольдса. (Головачев, Кузьмин, Попов, 1973; Пейгин, Тир-ский,1988). В связи с тем, что в уравнениях тонкого вязкого ударного слоя пренебрегается эффектами молекулярного переноса вдоль основного (маршевого) направления потока, эти уравнения могут быть решены существенно более эффективными методами, чем уравнения Навье-Стокса.
Цель диссертационной работы заключается в численном исследовании сверхзвукового обтекания затупленных удлиненных тел вязким газом в рамках модели тонкого вязкого ударного слоя; в разработке алгоритма расчета параметров вязкого обтекания осесим-метричных и плоских затупленных удлиненных тел при различных режимах течения; в изучении закономерностей теплового обмена и распределения трения по поверхности затупленных удлиненных тел при ламинарном, переходном и турбулентном режимах обтекания; в
исследовании влияния геометрии тела на распределения теплового потока и трения, отход ударной волны вдоль его поверхности и другие параметры обтекания; в исследовании поля течения, теплового обмена и аэродинамических характеристик сферического затупления как при непроницаемой поверхности тела, так и при подаче газа через поверхность при различных режимах обтекания и неравномерном набегающем сверхзвуковом потоке; в изучении процесса диффузии электронов в ударном слое при различных режимах обтекания сферического затупления сверхзвуковым неравномерным потоком.
В диссертации изложены результаты, полученные автором за период 1988-1995 гг. при выполнении тем НИР НИИ Механики МГУ "Движение тел в атмосфере Земли и других планет со сверхзвуковыми и гиперзвуковыми скоростями при наличии физико- химических превращений, теплообмена и излучения (N ГР 01818014328), входящей в научно-техническую программу Российской Федерации ГКНТ 0.80.03, а также Иркутского государственного университета "Асимптотические методы в системах с произвольными параметрами (N ГР 01860061262); "Функциональное наполнение и расширение пакета прикладных программ "Микрон"и его адаптации на ЕС 9BM"(N ГР 01860061261).
Научная новизна состоит:
в постановке и решении задачи сверхзвукового обтекания затупленных удлиненных тел в рамках модели тонкого вязкого ударного слоя в случае, когда в ударном слое реализуется ламинарный, переходный и турбулентный режимы течения;
в модификации метода последовательных приближении, обусловленной нелинейностью как уравнений турбулентного ТВУС, так и полных коэффициентов переноса;
- в разработке методики, позволяющей рассчитать локальные
и интегральные характеристики гладких затупленных удлиненных
осесимметричных и плоских тел при различных режимах сверхзву
кового обтекания;
- в исследовании влияния режима течения и неравномерности на
бегающего сверхзвукового потока на структуру течения в ударном
слое, профили газодинамических величин, распределения коэффици
ента трения, теплового потока, давления и отход ударной волны
вдоль поверхности тела, другие параметры обтекания;
в исследовании влияния неравномерности набегающего сверхзвукового потока, числа Рейнольдса на интегральные коэффициенты сопротивления и теплового обмена, характеризующие движение затупленных тел в атмосфере и нагрев их поверхности;
в изучении влияния вдува газа через поверхность в ударный слой и неравномерности набегающего сверхзвукового потока на характеристики течения, тепловой поток и коэффициент трения при различных режимах обтекания;
в исследовании влияния режима течения и неравномерности набегающего сверхзвукового потока на концентрацию электронов в ударном слое и распределение потока электронов по поверхности тела.
Таким образом, на защиту выносятся: постановка задачи о сверхзвуковом обтекании гладких затупленных удлиненных тел неравномерным потоком при ламинарном, переходном и турбулентном режимах течения; постановка задачи обтекания гладких затупленных тел сверхзвуковым неравномерным потоком при подаче газа через поверхность и диффузии электронов в ударном слое при различных режимах течения; численное решение указанных задач; анализ полученных результатов и выводы.
Практическая ценность работы заключается в том, что полученные результаты могут быть использованы для оценки влияния неравномерности набегающего сверхзвукового потока на аэродинамические характеристики и тепловые потоки при проектировании сверхзвуковых летательных аппаратов. Численные исследования позволяют изучить влияние формы тела на распределения теплового потока, коэффициента трения вдоль поверхности затупленного тела и другие параметры обтекания. Указанные исследования могут быть использованы для выдачи рекомендаций по выбору оптимальной формы летательного аппарата.
Разработанный комплекс программ позволяет рассчитать тепловые потоки и аэродинамические характеристики при сверхзвуковом обтекании затупленных удлиненных тел в широком, практически важном диапазоне определяющих параметров.
Вычислительные алгоритмы, разработанные методики и программы используются в научных исследованиях НИИ Механики МГУ, Иркутского ВЦ СО РАН , кафедры асимптотических методов и ме-
ханики Иркутского государственного университета и кафедры эксплуатации летательных аппаратов и двигателей Иркутского государственного технического университета, что подтверждено соответствующими Актами о внедрении.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на семинарах кафедры асимптотических методов и механики ИГУ под руководством профессора Г.Ф. Сигало-ва (1990-1995), в НИИ Механики МГУ на семинарах по физико-химической газовой динамике под руководством профессора Г.А. Тир-ского (1989-1993), на XVIII Гагаринских чтениях (Москва, 1988), на Всесоюзных научных школах-конференциях "Современные проблемы механики жидкости и газа" (Иркутск, 1988; 1990), на школе-семинаре ЦАГИ " Механика жидкости, газа и плазмы" (Москва, 1991).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в которых отражено ее основное содержание.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа содержит 96 страниц текста, 56 рисунков и список литературы из 229 наименований. Общий объем работы 171 страница. Приложение включает Акты о внедрении результатов научных исследований.
Личным вкладом автора является непосредственно участие в обсуждении постановки указанных задач, самостоятельная разработка метода их решения, составление и отладка программы на ЭВМ, проведение серии расчетов с последующим сравнением результатов с данными, имеющимися в отечественной и зарубежной научной литературе, анализ полученных результатов, выводы.