Автореферат (Моделирование пространственных течений в газовых трактах с использованием адаптивных сеток)

на правах рукописиРощин Антон СергеевичМоделирование пространственных течений в газовых трактах сиспользованием адаптивных сетокСпециальность01.02.05 – механика жидкости, газа и плазмыАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2014Работа выполнена на кафедре «Тепловые процессы» федерального государственногоавтономного образовательного учреждения высшего профессионального образования«Московский физико-технический институт» (государственный университет)»Научный руководитель:Борисов Дмитрий Мариановичдоктор технических наук, профессор, зам. начальникаотделения 2 государственного научного центра РоссийскойФедерации – федерального государственного унитарногопредприятия «Исследовательский центр имени М.В.Келдыша»Официальные оппоненты: Егоров Иван Владимировиччлен-корр.

РАН, доктор физико-математических наук,начальникНИО-8ГНЦФГУП«ЦентральныйаэродинамическийинститутименипрофессораН.Е. Жуковского»Иванов Игорь Эдуардовичкандидат физико-математических наук, доцент кафедры«Молекулярная физика» Московского государственногоуниверситетаВедущая организация:ФГУП«Центральныйинститут машиностроения»научно-исследовательскийЗащита состоится «24» декабря 2014 года в « » часов на заседании диссертационногосовета Д212.125.14 при ФГБОУ ВПО «Московский авиационный институт (национальныйисследовательский университет)» по адресу: 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3Волоколамское шоссе, 4.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ по адресу: 125993, г.

Москва,Волоколамское шоссе, д.4.Отзыв на автореферат, заверенный печатью организации, просим направлять по адресу125993, Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д.4Автореферат разослан «__» «____________» 2014 года.Учёный секретарьдиссертационного совета Д212.125.14,Гидаспов В.Ю.кандидат физико-математических наук, с.н.с.2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫДиссертация посвящена разработке метода расчёта течений и исследованиюпроцессов в высокоскоростных воздухозаборных устройствах и газодинамических трубах,используемых для испытаний двигателей с большими степенями расширения, с учётомизменения теплофизических свойств газа.Актуальность работыВ связи с возобновившимися исследованиями в области сверхзвуковыхпрямоточных летательных аппаратов актуальной задачей стала разработка имоделирование высокоскоростных воздухозаборных устройств, рассчитанных на работу вшироком диапазоне скоростей.

При торможении высокоскоростного потока неизбежныпотери, связанные с переходом кинетической энергии потока во внутреннюю энергиюгаза, который происходит в ударных волнах. Для уменьшения этих потерьвысокоскоростные воздухозаборные устройства (ВЗУ) строятся таким образом, чтобыторможение потока происходило поэтапно на косых скачках уплотнения. При такомустройстве ВЗУ важной задачей становится определение положения ударных волн ипараметров за ними с учётом значительного изменения теплофизических свойств газа впроцессе торможения.Исследование газодинамических процессов, протекающих в соплах с высокимистепенями расширения, предназначенных для работы на больших высотах происходит наназемных стендах, имитирующих высотные условия работы. Для испытанийкрупномасштабных двигателей наиболее эффективной системой создания разреженияявляется использование газодинамических труб (ГДТ). Пониженное давление достигаетсяпутём эжекции продуктов сгорания двигательной установки.

Так же газодинамическиетрубы нашли применение при испытаниях обтекания тел высокоскоростнымвысокотемпературным потоком. Наиболее перспективным способом проведения такихиспытаний является разогревание газа до высоких температур (3000-5000К) в плазменнойдуге и последующем ускорении в сверхзвуковом сопле.Целью работы является создание методики моделирования высокоскоростныхпотоков в газовых трактах с учётом изменения теплофизических свойств газа.Предметом исследования данной работы являются физические процессы,происходящие в газовых трактах сверхзвуковых воздухозаборных устройств игазодинамических труб.Метод исследованияРезультаты работы получены с помощью совместного использованияматематического моделирования и экспериментальных исследований.

Математическаямодель основывалась на решении системы уравнений Навье-Стокса с учётом зависимоститеплофизических свойств газа от температуры. При численном решении использоваласьTVD модификация метода Годунова.Основными задачами, решаемыми в работе являются:1. Анализ подходов к численному моделированию течений газа со сложной картинойтечения и переменными теплофизическими параметрами;32. Анализ существующих способов дискретизации расчётной области и ихмодификация для удовлетворения заданным ограничениям на размер и качествоэлементов получающейся расчётной сетки;3.

Разработка метода расчёта пространственных вязких течений с переменнымитеплофизическими свойствами в произвольных областях.4. Численное моделирование течения в сверхзвуковом воздухозаборном устройстве,его оптимизация для работы в широком диапазоне скоростей набегающего потока;5. Экспериментальное определение характеристик сверхзвукового воздухозаборногоустройства, верификация методики численного моделирования на основании этихданных;6. Численное исследование процессов запуска газодинамической трубы.Научная новизна работы заключается в следующем:1. Предложена TVD модификация метода Годунова для расчёта течения с учётомзависимости теплофизических параметров газа от температуры;2.

Разработан алгоритм построения анизотропной триангуляции Делоне сограничениями для произвольной двумерной области с криволинейнымиграницами. Разработаны алгоритмы локального адаптивного уменьшения иувеличения разрешающей способности сеток вблизи особенностей геометрии иособенностей поля с интерполяцией параметров поля второго порядка точности;3. Получены результаты численного моделирования запуска и работыкомбинированного высокоскоростного воздухозаборного устройства, позволившиеоптимизировать его геометрию с целью улучшения интегральных параметров.Достоверность полученных результатов подтверждается сопоставлениемрезультатов расчета, полученных предложенным численным методом, с даннымиэкспериментальных исследований, а так же тестированием метода на ряде задач,предложенных другими авторами.

Достоверность экспериментальных результатовобеспечиваетсятщательнымпланированиемэкспериментаикачественнымэкспериментальным оборудованием.Практическая значимостьВ рамках данной работы был реализован пакет программ для дискретизациирасчётной области и численного решения уравнений газовой динамики предложеннымметодом. Численно и экспериментально получены характеристики воздухозаборныхустройств, рассчитаны параметры запуска и остановки газодинамических труб.Личный вклад:Автором разработана численная методика и проведена серия расчетов течений ввоздухозаборных устройствах и газодинамических трубах. Разработан алгоритмдискретизации произвольной двумерной области с криволинейными границами.Проведена верификация методики и параметрические расчеты, направленные наоптимизацию конструкции воздухозаборного устройства. Автором выполнена серияиспытаний воздухозаборного устройства, направленных на верификацию расчетнойметодики.4На защиту выносятся:1.

Численная методика расчёта течения газа с учётом зависимости теплофизическихпараметров газа от температуры;2. Алгоритм построения неструктурированной расчётной сетки и её адаптации кособенностям течения и геометрии для односвязных областей произвольнойформы.3. Результаты экспериментальных исследований воздухозаборногорассчитанного на работу в широком диапазоне скоростей;устройства,4. Результаты расчетных исследований и оптимизации геометрии комбинированноговоздухозаборного устройства;5. Результаты расчетов процессов запуска и остановки газодинамических труб,разработанных для испытаний перспективного кислород-водородного двигателя ссоплом, включающим только регенеративную часть, и с соплом, включающимрегенеративную и радиационно-охлаждаемую части.Апробация результатов исследования:Основные результаты данной работы докладывались на НТС отделения 2 ЦентраКелдыша; на 51-й открытой конференции Московского физико-технического института(г.

Москва, 23 октября, 2008 г.), 52-й открытой конференции Московского физикотехнического института (г. Москва, 27 октября, 2009 г.); 53-й открытой конференцииМосковского физико-технического института (г. Москва, 28 октября, 2010 г.); XVIIМеждународной конференции по Вычислительной механике и современным прикладнымпрограммным системам, 2011г.Структура и объём диссертацииДиссертация состоит из введения , 4 глав, заключения и списка литературы.