Автореферат (Взаимодействие высокоскоростного гетерогенного потока с элементами конструкции ЛА), страница 2

«Алушта», Россия, 25 - 31 мая 2016г.).Основные результаты диссертации опубликованы в двух научных статьяхв рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК при МинобрнаукиРоссии.Публикации по теме диссертацииПо теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе 2 - внаучных рецензируемых изданиях.Структура и объём работыДиссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов поработе и списка литературы; содержит 155 страниц, 70 рисунков, 4 таблицы,список литературы из 76 наименований.КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.Вовведенииобоснованаактуальностьвыбраннойтемы,сформулированы цель и задачи работы. Изложены предмет и новизна темыисследования, а также, степень разработанности проблемы.

Краткоохарактеризованы методы исследования. Показана теоретическая ипрактическая значимость работы. Описана структура и объём работы, указаныпубликации по теме исследования.В первой главе диссертационной работы проведен анализ использованиягетерогенных потоков в транспортном и энергетическом машиностроении с8целью сопоставления энергетических режимов и основных параметровприменяемых в промышленности гетерогенных потоков.Рассмотрены методы и средства, которые позволяют моделироватьпроцессы взаимодействия гетерогенных потоков с заданными параметрами ствёрдой стенкой.Описана газодинамика гетерогенных потоков, отмечена необходимостьвыполнения допущений в виде модели взаимопроникающих континуумов,отражены границы её применимости.Определены основные силы, действующие в газовом потоке наизолированную частицу. Отмечены особенности взаимодействия дисперснойфазы и несущего газового потока, которые заложены в коэффициентеаэродинамического сопротивления CD.

Проанализированы зависимости длявычисления значений коэффициента сопротивления CD для частиц сферическойформы разной дисперсности.Во второй главе описаны методы и средства диагностики параметров,используемые при исследовании взаимодействия гетерогенных потоков спреградой, такие как:1.Лазерная доплеровская анемометрия, позволяющая регистрироватьодин из основных параметров гетерогенных потоков - скоростное скольжениефаз |V - Vp|.2.Калориметрические датчики, используемые для определенияплотности теплового потока. Подробно проанализированы принципы работы иоценка погрешности калориметров «стержневого» и «таблеточного» типов. Этопозволило исследовать баланс энергии частиц гетерогенного потока привзаимодействии со стенкой конструкции и рассчитать температуру поверхностив процессе эрозии.3.Контактные и бесконтактные методы и средства определениятемпературы поверхности преграды, взаимодействующей с гетерогеннымпотоком.4.Проведен критический анализ использованных в работе методов исредств диагностики, оценены погрешности определения параметров.В третьей главе с использованием математического моделированияпроведено решение численным методом задачи взаимодействия «К-фазы» сэлементамиконструкцииЛАприобтеканиивысокоскоростного9неизотермического гетерогенного потока головной части ЛА коническойформы, притупленной сферой.Исходные данные для решения задачи представлены в таблице 1.Таблица 1.

Исходные данные.ПараметрФорма летательного аппаратаГеометрические размерылетательного аппаратаУгол атаки при полётеМатериал частиц «К-фазы»Дисперсность твердой фазыМассовая концентрация твердойфазы в гетерогенном потокеВысота полётаСкорость полёта (число Маха)ХарактеристикаКонус, притупленный сферой радиус сферического притупления:RN=0,5 м длина конической части по образующей:Lкон.=2 м угол конусности: γ =30°α = 0°SiO2от 1 до 30 мкмдо 10 %H=20 кмM͚≤6Решение задачи проведено с использованием разработаннойматематической модели для газовой фазы и «К-фазы».Известно, что произвольное движение сплошной среды описываютсяуравнениями Навье-Стокса.

Поскольку в настоящее время отсутствует точноеразрешение общей системы уравнений Навье-Стокса, то задачи газовойдинамики решаются методами приближенного решения этих уравнений. Какправило, в качестве инструмента используются разработанные численныеметоды решения, в которых применяется достаточно гибкий математическийаппарат.В данной работе при построении математической модели учитывались«возможности» и функционал CFD (computational fluid dynamics –вычислительная гидродинамика) комплекса ANSYS CFX.Предложенная в работе математическая модель представляет системучетырёх независимых уравнений в виде:1.

Систему уравнений Навье-Стокса в векторной форме:уравнения неразрывности (сохранения массы)  ( V )  0.(1)10уравнения количества движения (сохранения импульса)( V )   ( V  V )        S M ,где – тензор напряжений:2(2)   V  (V )T    V  .3(3)В свою очередь,  – дельта-функция Кронекера1 0 0   0 1 0  .0 0 1 2. Уравнение энергии (сохранения энергии):(4)(  h0 )    ( Vh0 )    (T )    (V )  VS E  SM ,(5)где h0 – энтальпия торможения газовой фазы:V2,2h – статическая (термодинамическая) энтальпия:h0  h (6)h  CP  p, T   T(7)3.

Уравнение состояния для каждого i-го компонента газовой фазыpi iMiRTi .(8)В соотношениях (1)÷(8) использованы следующие обозначения: p –статическое давление газовой фазы,  – плотность газовой фазы, V – скоростьгазовой фазы, T – статическая температура газовой фазы,  – время, S M источниковый член для импульса, S E – источниковый член для энергии,  –коэффициент динамической вязкости газовой фазы, – коэффициенттеплопроводности газовой фазы,  – оператор Гамильтона (набла), знак (→) –обозначает векторную величину.В настоящее время при математическом моделировании процессаобтекания тел гетерогенными потоками используют в основном два метода:- метода Эйлера (метод Эйлер-Эйлер), описывающий как течениенесущей газовой, так и дисперсной фаз.

В данном методе гетерогенная система11в целом рассматривается как сплошная среда, к которой применяется модельвзаимопроникающих континуумов;- метод Эйлера-Лагранжа. В этом методе течение несущей фазыописывается методом Эйлера, а дисперсной фазы - методом Лагранжа. Данныйподход с достаточной точностью описывает столкновения как междучастицами, так и частиц с поверхностью.В настоящей работе для решения задачи использован метод ЭйлераЛагранжа. В результате для «К-фазы» по методу Лагранжа рассчитывалисьтраектории и характеристики индивидуальных частиц разной дисперсности вопределенные промежутки времени. Например, ускорение частицыгетерогенного потока вычислялось с использованием уравнения переносаколичества движения в виде:mpdU pd FD ,(9)где m p – масса частицы, U p – скорость частицы, FD – сила аэродинамическогосопротивления межфазного взаимодействия, возникающая из-за разностискоростей газовой и твердой фаз.

В свою очередь, FD представляетсяформулой:1(10)FD  CD  F Ap U F  U p (U F  U p ),2где CD – коэффициент аэродинамического сопротивления частицы,  F –плотность газовой фазы, Ap – площадь миделевого сечения частицы, U F –скорость газовой фазы.Если набегающий гетерогенный поток является неизотермическим, а всжатом и пограничном слоях газовая фаза химически неактивная, токонвективный теплообмен между газом-носителем и поверхностью частицырассчитывается с использованием соотношения:Qкон, p    d p  газ  Nuw,d Tгаз  Tp  ,(11)где w,газ – коэффициент теплопроводности газа при температуре поверхностичастицы, Тгаз – температура газа-носителя, Tw, p – температура поверхностичастицы, Nuw,d – критерий Нуссельта. Индексы «w» и «р» означают, что для12критерияNuw,dопределяющей является температура частицыTw, p , ахарактерным размером – диаметр частицы.Из теории конвективного теплообмена известно, что при обтеканиисферы ламинарным потоком газа, процесс теплообмена рассчитывается сиспользованием критериального алгебраического соотношения вида:Nuw,d  2  0.6Re0,5w,d  Prwгде Nuw,d  w  vгаз  d p13w , Prw (12)газ  Сp,газ.

В свою очередь,газСp,газ– удельнаятеплоёмкость газовой фазы при температуре стенки; газ – коэффициенттеплопроводности газовой фазы при температуре стенки;  газ – коэффициентдинамической вязкости газовой фазы при температуре стенки.Далее, зная Qкон , p , просто определить температуру частицы в моментвзаимодействия с поверхностью конструкции. С этой целью используетсясоотношение:Qкон, р  c p  mp  Т р ,кон  Т нач (13)На основе представленных выше моделей в работе предложена расчётнаясхема для решения задачи.Предложенная расчётной схема строится на форме геометрическоймодели.Геометрическая модель в поставленной задаче представляет собойрасчётную область с вырезанным из неё летательным аппаратом. На базегеометрической модели в программном пакете ANSYS ICEM CFD разработанасеточная модель на основе структурированной гексаэдрической сетки (рис.

1).Для лучшего разрешения пристеночного пограничного слоя на поверхности ЛАприменено сгущение сетки (рисунок 2).Рисунок 1. Разработанная для расчётасеточная модельРисунок 2. Структурированнаягексаэдрическая сетка со сгущениемячеек по поверхности ЛА13На следующем этапе задавались условия однозначности, то естьпараметры, определяющие свойства домена: модель газа, модельтурбулентности и граничные условия.Модель газа: род газа – воздух; начальные условия: Tнач=216.66 К,Pнач=5526 Па; Vнач=50 м/с.В качестве граничных условий (рисунок 3) на «входе» расчётной областизадавались: скорость потока V=1800 м/с (М ≈ 6), статические температура идавление газа – Tгаз=216,66 К и Pгаз=5526 Па.

Массовая концентрация «К-фазы»в гетерогенном потоке составляла 10% от массовой концентрации газовойфазы. Кроме того, задавался закон распределения дисперсности частиц вплощади входного сечения.На остальных границах расчётной области задавались следующиеусловия:на поверхности - условие типа «стенка»;учитывалась симметрия тела;сверхзвуковой выход и свободный выход при параметрахатмосферы на высоте полёта ЛА: H = 20 км: TН=216.66 К, PН=5526 Па.Необходимо отметить, что значение скорости набегающего потока награнице «вход» повышалось постепенно до максимальной величины, М=6.Род материала «К-фазы» - SiO2 (двуокись кремния).По форме все частицы в каждом вычислительном экспериментесчитались однородными шарами с диаметрами от 1 до 30 мкм. Взаимодействиетвердой фазы с поверхностью ЛА считалось абсолютно упругим.Рисунок 3.

Граничные условия.14В работе первый этап математического моделирования выражался впроведении расчётов математической модели, описывающей процесс обтеканиявысокоскоростным гомогенным потоком летательного аппарата коническойформы, притупленного сферой. Параметры набегающего гомогенного потокаприведены в постановке задачи.Расчётные параметры, полученные в результате численного расчётаматематической модели представлены на рисунках 4 а), б), с). Из анализаполученных данных следует, что предложенная математическая модельадекватна построенной расчётной модели. Заданные условия однозначностисоответствуют параметрам поставленной задачи и параметрам набегающегогомогенного потока вблизи поверхности ЛА.а) распределение числа Махаб) распределение давленияс) распределение температурыРисунок 4.