Автореферат (1145328), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Способ инициирования СВЧ разрядом горения в сверхзвуковом потоке.5. Результаты изучения регулярной и маховской интерференции ВСУ,отражения косого скачка от стенки и от оси симметрии, разрывов одногонаправления (ДСУ и ЦВС), обоснование критериев перехода от регулярноготипа интерференции к маховской и наоборот.6. Результаты исследования экстремальных и оптимальных свойств ГДР,УВС и ТК ударных волн. Методики проектирования УВС с оптимальнымисвойствами в соответствии с заданными критериями.7. Результаты исследования областей существования различных УВС,возникающих при произвольном взаимодействии двух скачков уплотнения,условий объединения одиночных разрывов, тройных точек в сложныемногоскачковые УВС.8. Результаты тестирования численных методов повышенного классаточности, основанных на точном и приближенном решении задачи Римана.Апробация работы.
Основные результаты исследований, изложенные вдиссертации, были представлены в 2014-2016 гг. на девяти ведущихмеждународных семинарах, научных конференциях и конгрессах, в том числе:1. 7th International Symposium on Non-equilibrium Processes, Plasma,Combustion and Atmospheric Phenomena (NEPCAP 2016) October 2-7, 2016;Sochi, Russia. (доклад делал сотрудник лаборатории В.В.Упырев).2. Пятый научный семинар по горению и взрыву, посвященный памятипрофессора Б.Е. Гельфанда, Санкт-Петербург, 4-5 октября 2016.3. 22-nd International Shock Interaction Symposium, 4-8 July 2016, Glasgow.4.
3rd IAA Symposium «Space Flight Safety», 4-8 July, 2016, St Petersburg.5. 10th International Colloquium on Pulsed and Continuous Detonations. 4-8July, 2016, St Petersburg, Russia. (доклад делал сотрудник лабораторииВ.В.Упырев).S76. IV Минский международный коллоквиум по физике ударных волн,горения и детонации в Институте тепло- и массообмена имени А.В. Лыкова АНБеларуси, 9 - 12 ноября 2015 г.7. 7th European Combustion Meeting. Budapest, Hungary, 30.03 - 02.04, 2015.8.
30th International Symposium on Shock Waves (ISSW30). July 19-24, 2015in Tel-Aviv, Israel.9. 12th International Conference on Heat Transfer, Fluid Mechanics andThermodynamics (HEFAT2016), 11-13 July 2016, Malaga, Costa Del Sol, Spain.Публикации. Результаты работы нашли отражение в 8 патентах нагенераторы ударных волн, акустические излучатели, станцию зарядкиэлектромобилей и газотурбинную установку с волновым накопителем энергии идр.
Результаты работы опубликованы в 65 статьях, из которых 9 - в российскихжурналах, входящих в список рекомендованных ВАК по "механике" и"вычислительным методам", а также индексируемых Scopus и Web-of-Science,33 - в международных журналах, индексируемых Scopus и Web-of-Science, 24 в прочих журналах из списка ВАК по смежным специальностям.Личный вклад автора. Во всех частях исследования личным вкладомавтора является постановка задачи, обработка и интерпретация результатов,разработка теорииперестройки УВС, теоретическое обоснование критериевперехода от одной структуры к другой в условиях гистерезиса. Вычислительныеи физические эксперименты выполнялись группой сотрудников лаборатории"Механики и энергетических систем" университета ИТМО под руководствомавтора. Исследование численных методов повышенного порядка точности,основанных на решении задачи о распаде произвольного разрыва, выполненосовместно с д.т.н.
К.Н.Волковым (Kingston University, London). Результатынашли отражение в совместных научных статьях. Личным вкладом автораявляется разработка эталонного метода решения задачи Римана.Структура и объем работы. В диссертации - 361 стр., 256 иллюстраций,358 источников. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения.S8Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность своемуучителю В.Н. Ускову за обсуждение структуры работы и плана исследований.В.Н.Усков являлся научным консультантом настоящей работы вплоть еготрагической гибели, им сформулирован перечень задач, которые необходиморешить в первую очередь. Автор также выражает благодарность К.Н.Волкову засовместное выполнение численных исследований; М.В.Чернышову за любезнопредоставленные им материалы по тройным конфигурациям ударных волн,которые были использованы в исследованиях; сотрудникам лаборатории"Механики и энергетических систем" Университета ИТМО Н.В.Продану иВ.В.Упыреву за выполненные ими под руководством автора расчетныеисследования; О.С.Смирновой за помощь в редактировании работы.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВведение посвящено обоснованию актуальности и практическойзначимости, целям и задачам исследования, описанию структуры диссертации.Приведены сведения о внедрении полученных результатов.Первая глава.
Приведены основные положения теории интерференциистационарных ГДР в том виде, как она сложилась к настоящему времени и быласформулирована В.Н.Усковым. На примере этапных работ показано, какразвивалась теория и получались экспериментальные результаты, еёподтверждающие. Введена классификация волн, разрывов и УВС. Рассмотреныметод ударных поляр, маховская интерференция, условия динамическойсовместности и дифференциальные условия динамической совместности наГДР. Развит численный метод слабых разрывов (метод характеристик второгопорядка).
Решена задача об отражении слабого разрыва от оси. Показано, чтоизвестный парадокс радиальной фокусировки возмущений (обращение вбесконечность интенсивности слабого разрыва на оси симметрии), имеющийместо при численных расчетах в окрестности оси симметрии, является чистовычислительным эффектом. Сформулированы разделы теории, развитиекоторых необходимо для успешного проектирования аэрокосмической техникиS9нового поколения: теория УВС в детонационных двигателях, оптимизация УВСв трехмерных неуправляемых ВЗ на скоростях полета М=1.4-1.8; оптимизацияУВС в традиционном для современных сверхзвуковых ЛА диапазоне М=1.8-2.2;оптимизация УВС в ВЗ комбинированного сжатия для М=3.5-5; оптимизацияинтегрированной аэродинамики гиперзвукового ЛА, рассчитанного на скоростьполета М=6-10.Вторая глава. Приведена геометрическая теория одиночного ГДР,показана её связь с теорией волн, оптических каустик и волновых фронтов,математической теорией особенностей гладких отображений.
Показано, чторазрыв решения в уравнении Бюргерса соответствует известному в теорииособенностей гладких отображений множеству Максвелла ударной волны ипроходит ровно посередине её протяженности (рис.1).SРис.1 - Газодинамический разрыв как множество Максвелла.Законы сохранения на разрыве выведены непосредственно изпредставлений о его волновой структуре, показано, что эти законы одинаковыедля уравнений Эйлера идеального газа и уравнения Бюргерса с исчезающейвязкостью. Таким образом, теорией, развитой для идеального газа, можноS10пользоваться и для анализа ГДР в реальном газе при условии, что вязкость мала.Но (при М>3) учитывать калорическое несовершенство газа.
Показано, чтоусловия динамической совместности на скачках в калорически несовершенномгазе могут быть записаны в такой же форме, как и для идеального газа, есливвести некоторый "эффективный" показатель адиабаты, разработана методикаего расчета. Выполнены расчеты отражения скачка от стенки. Показано, чтокалорическое несовершенство газа в большей степени влияет на угол разворотапотока на скачке, нежели на изменение максимальной интенсивности скачка.Рассмотрены проблемы, связанные с кривизной разрыва. Если имеетсявозможность задать одну неравномерность течения за скачком уплотнения, то,при известном поле течения до скачка, можно вычислить кривизну скачка влюбой его точке, что эквивалентно описанию его геометрии при помощиобыкновенного дифференциального уравнения.
Обоснованным являетсяпредположение, что в затопленной сверхзвуковой струе в сжатом слое междускачком и границей струи давление остается постоянным вдоль линий тока. Этопозволяет построить скачок, например, в перерасширенной струе, истекающейиз профилированного и конического сопла (рис.2).SSРис. 2 - Скачок в перерасширенной струе, истекающей из профилированного сопла.Линии - теория, символы - результаты численных расчетов (WENO-метод 4 порядка).Показано, что кривизна линий тока и характеристик могут стать причинойзарождения внутри гладкого течения висячих скачков уплотнения. У кромкисопла при нерасчетностях струи, близких к единице, зависимость кривизныграницы и координат точки зарождения висячего скачка от давления вS11окружающей среде носит существенно немонотонный характер (рис.3). Врезультате этого образуется петля акустической обратной связи, вызывающаясамоподдерживающиеся колебания, что подтверждается экспериментами.SSРис.3 - Положение точки зарождения висячего скачка уплотнения в струе, истекающейиз сопла с небольшим числом Маха.При гиперзвуковых скоростях торможение потока в воздухозаборнике додозвуковых скоростей приводит к слишкам большим потерям полного давления,поэтому, начиная со скоростей полета M=6, необходимо использовать камерусгорания со сверхзвуковым горением.
Фронт горения в сверхзвуковом потокеявляется ГДР. Во второй главе рассмотрен способ стабилизации горения всверхзвуковом потоке квазиоптическим СВЧ пучком. Предложены две схемыпрямоточного воздушно-реактивного двигателя со сверхзвуковым горением(СПВРД) в плоской (рис.4) и в трехмерной камере сгорания (рис.5-а). Дляинициирования горения используется установленная поперек потока сетка (рис.5-б), на которой зажжен СВЧ разряд. В экспериментах получено устойчивоегорение в потоке до М=2, что соответсвует скорости полета М≈6.3.SSа)б)Рис.4 - Устойчивое горение пропана в плоском сверхзвуковом потоке (а). Фронт горения(б) совпадает с линиями распространения возмущений в сверхзвуковом потоке с M=2.S12SSа)б)1 - воздухозаборник; 2,3 - клинья воздухозаборника; 4,5 - косые скачки уплотнения; 6 - ножкаМаха; 7,8 - отраженные косые скачки уплотнения; 9 - топливные форсунки; 10 - камерасгорания; 11 - сопло; 12 - воспламенитель; 13 - источник СВЧ излучения.Рис.
5 - СПВРД (а), в котором фронт горения инициируется СВЧ разрядом (б) надиэлектрической сетке - воспламенителе (12) , установленной поперек потока.Третья глава посвящена изучению отражения скачков уплотнения отстенки и от оси симметрии, интерференции несимметричных ВСУ.Исследованы критерии перехода от одного вида интерференции к другой,области неоднозначности и гистерезиса. Для этого используется разработаннаяво второй главе теория трансформации УВС, в сочетании с вычислительнымэкспериментом и экспериментом методом гидроаналогии (рис.6).SSSРис.6 - Моделирование гистерезиса, регулярной и маховской интерференции методомгидроаналогии в лаборатории University of Warwick.Подробное исследование маховской интерференции ВСУ вплоть до чиселМаха М=7 показало, что переход от регулярной интерференции к маховскойосуществляется строго в соответствии с "критерием отсоединения" фонНеймана, а от маховской к регулярной - в соответствии с критериемстационарной маховской конфигурации (СМК), другое название - "критериймеханического равновесия" фон Неймана.
Эти результаты обоснованы вS13терминах теории особенностей гладких отображений. Показано, что критериюфон Неймана соответствует "принцип наибольшего промедления", т.е.регулярная интерференция затягивается до того момента, пока она в принципеможет существовать, а критерию СМК - принцип Максвелла (попаданиепараметра задачи в множество Максвелла). Показано, что вязкость сужаетобласть неоднозначности, а калорическое несовершенство газа расширяет.Отражение скачка уплотнения от оси симметрии имеет свои особенности.Оно всегда маховское.
Влияние осесимметричности приводит к искривлениюскачка по мере его приближения к оси и в условиях регулярного отражения егокривизна на оси обращалась бы в бесконечность. Численные расчеты и теорияособенностей гладких отображений позволили установить, что при числе МахаМ>М0 R(М0 R =2.204 для воздуха), ограничивающем снизу областьсуществования СМК, образование диска Маха происходит в точке скачка, вкоторой его интенсивность J=J0 соответствует критерию СМК (рис.7).SSSРис.7 - Результаты расчета зависимости удаления диска Маха от среза сопла Ldm отнерасчетности n=pа/pн., где ра - давление на срезе сопла, pн - в окружающей среде.S14При М<М0Rобразование диска Маха происходит в соответствии скритерием фон Неймана (ударная поляра касается оси ординат).Четвертая глава посвящена изучению регулярной интерференцияразрывов одного направления (ДСУ и ЦВС), актуальной для разработкисверхзвуковых ВЗ внешнего сжатия.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
