Диссертация (1145329), страница 2
Текст из файла (страница 2)
В работе подробно не рассматриваются такие важные проблемы, какрефракция скачков на тангенциальных и контактных разрывах, т.к. это привело бы к удвоениюобъема работы.Актуальность. Теория интерференции газодинамических разрывов активно развивается,начиная с 40-50-х годов XX века в связи с появлением задач исследования сверхзвуковогообтекания летательных аппаратов (ЛА), а также сверхзвуковых струй газа. С тех пор проблемебыло посвящено тысячи публикаций. Среди зарубежных работ выделяются теоретическиеисследования научных школ Бена-Дора и Эльперина (G.Ben Dor, T.Elperin, Израиль),!7экспериментальные работы Такаямы (K.Takayama, Япония) и Скейза (Beric W.Skews, ЮАР),обобщенные в трехтомнике [1].‑В нашей стране наибольший вклад в развитие теории внеслинаучные школы Г.Г.Черного - А.Н.Крайко - В.А.Левина (ЦИАМ, Институт Механики МГУ),М.С.
Иванова (Институт Теоретической и Прикладной Механики Сибирского ОтделенияАкадемии наук - ИТПМ) и В.Н.Ускова (Ленинградский Механический институт, ныне этоБалтийский Государственный Технический Университет "ВОЕНМЕХ" - БГТУ).Основные разделы теории интерференции стационарных газодинамических разрывов всовременном виде были сформулированы Владимиром Николаевичем Усковым в начале 80-хгодов XX века [2 , 3 ], который долгие годы являлся научным руководителем автора, а в‑‑дальнейшем соавтором и научным консультантом настоящей работы.
В основе теории лежатзаконы сохранения на газодинамических разрывах, названные В.Н.Усковым условиямидинамической совместности (УДС). Теория позволяет производить расчет одиночныхразрывов и волн, а также образующихся в результате их интерференции ударно-волновыхструктур. Для этого необходимо знать газодинамические параметры исходного течения, типударно-волновой структуры, а также интенсивности приходящих в эту структуру разрывов.Результатом расчетов являются интенсивности исходящих разрывов и параметры за ударноволновой структурой. Последовательное изложение теории приведено в монографии [4],‑написанной В.Н.Усковым совместно с его учениками А.Л.Старыхом и А.Л.Адриановым,которые первыми разработали на основе теории В.Н.Ускова рабочие расчетные методики ивыполнили параметрическое исследование самых разнообразных УВС.Известно, что интерференция может быть регулярной, а также маховской.
В последнемслучае образуется тройные конфигурации ударных волн (ТК). Для маховской интерференцииполная теория отсутствует, но разработана методика расчета отдельных ТК. УченикамиВ.Н.Ускова Тао Ганом, А.В.Омельченко, М.В.Чернышовым исследованы областисуществования ТК, их экстремальные свойства. Была предпринята попытка сформулироватьзадачи проектирования оптимальных УВС, а такжеуправления ими, которая, в прочем, неувенчалась успехом. Дело ограничилось исследованием газодинамических зависимостей заразрывами и УВС на экстремум.В ряде задач, при определенном сочетании параметров, законы сохранения допускаютсуществование и регулярной, и маховской интерференции.
Надежные критерии отбораправильных решений отсутствуют и законы сохранения на разрывах в принципе не позволяютразработать такой критерий.!8Ничего не может сказать существующая теория и о направлении трансформацииударно-волновых структур, их перестройках и переходных процессах, при изменениипараметров. Таким образом, существующая теория является неполной и "статической".В 60-е и 70-е годы ХХ века такое положение дел не было серьезным препятствием на путиразработки сверхзвуковых ЛА, т.к. они рассчитывались тогда на узкий диапазон скоростей, аиспользуемые УВС были сравнительно простыми. В 90-е годы начались масштабныеисследования гиперзвуковых ЛА, для которых был характерен уже широкий диапазонскоростей полета.
Последовательное увеличение скорости полета должно сопровождатьсятрансформацией УВС в воздухозаборниках и соплах силовых установок, а также, возможно, ихперестройками. Теория таких перестроек отсутствовала.Развернулись также исследования, направленные на создание ЛА принципиально новоготипа - волнолетов.
Волнолеты имеют специальную аэродинамическую форму, опирающуюсянесущими поверхностями на волновые фронты УВС, что приводит к существенномуувеличению аэродинамического качества летательного аппарата на больших сверхзвуковыхскоростях полета за счет использования повышенного давления за ударными волнами.
Еслигеометрия волнолета остается неизменной, то при изменении скорости полета УВС меняютсвою конфигурацию и перестают быть оптимальными для исходной формы волнолета.В ХХI веке в практическое русло перешли работы по созданию детонационныхдвигателей.
Казалось, что теория установившейся детонации (детонации Чепмена-Жуге)хорошо разработана и практическая реализация импульсно-детонационных, ротационных инепрерывно-детонационных двигателей не заставит себя долго ждать. Однако, исследованиянеожиданно столкнулись с многочисленными сложностями. Выяснилось, что в типичныхслучаях движущийся детонационный фронт представляет собой не одиночную ударную волну,которая инициирует реакции горения, а совокупность тройных конфигураций ударных волн,которые непрерывно трансформируются и перестраиваются. Следовательно, необходимоизучать эти закономерности.Таким образом, актуальным является изучение перестроек УВС, особенно, возникающихв результате маховской интерференции, областей существования структур различных типов,разработка алгоритмов отбора верных решений, исследование экстремальных свойствразрывов и УВС, а также путей построения оптимальных УВП.!9Существующая теория интерференции стационарных газодинамических разрывовне во всем удовлетворяет потребностям практики на современном этапе.
Теория развита вболее или менее законченном виде только для идеального газа. Результаты анализа еёприменения для реального газа пока фрагментарны. Необходимо иметь строгое обоснованиеприменимости используемых теорией интерференции стационарных ГДР законов сохранения вреальных условиях вязкого, теплопроводного, калорически несовершенного газа. Сегодняполностью разработаны методики расчета регулярной интерференции разрывов, а такжетройных конфигураций ударных волн.
Полная теория нерегулярной (маховской) интерференциив настоящее время отсутствует. Маховская интерференция догоняющих скачков и вовсе неизучена. Нет ясности в вопросах: насколько сложными могут быть УВС, каким образом и вкаком направлении осуществляется перестройка УВС. Вообще, на данном этапе развитияаэрокосмической техники можно смело утверждать, что вопросы маховской интерференциискачков уплотнения являются важнейшими. Действительно, появляющиеся в сверхзвуковыхвоздухозаборниках на нерасчетных режимах ножки Маха являются крайне нежелательнымявлением, которого нужно избегать или, в крайнем случае, минимизировать его.
Напротив, вдетонационных двигателях ножка Маха - это полезное явление, ей соответствует пересжатаядетонация, обеспечивающая наиболее эффективное быстрое горение, поэтому в данном случаеразмеры ножки Маха должны быть максимально возможными.Многим авторами описаны области неоднозначности решений в случае отражения скачкаот стенки и интерференции встречных скачков. В этих областях законы сохранения допускаютсуществование как регулярной интерференции, так и маховской.
Указывается, что в областяхнеоднозначности имеет место гистерезис, т.е. то, какое из двух возможных решенийреализуется на практике, зависит от направления изменения параметров УВС. Но до сих породнозначно не определено, когда для перехода между регулярной и маховской интерференциейнужно использовать критерий отсоединения, а когда критерий СМК. До конца так и необъяснено, почему в результатах экспериментов и численных расчетов диапазоннеоднозначности уже, чем предсказывается теорией. Не является ли это указанием на тот факт,что законы сохранения, развитые для разрыва в идеальном газе, не могут напрямуюприменяться для расчета разрывов в реальном вязком и теплопроводном газе? Неоднозначностьрешения с догоняющими скачками уплотнения вообще до сих пор не описана.Из экспериментов и численных расчетов известно, что интерференция даже двух скачковможет приводить к разнообразным и весьма сложным УВС. Возникает вопрос - существует ли!10исчерпывающий перечень таких УВС, каковы их области существования? Перекрываются лиэти области, т.е.
существует ли неоднозначность?Сложность ударно-волновых процессов приводит к определенным трудностям в ихчисленном расчете. Иногда появляются парадоксальные результаты, например, в расчетах спомощью консервативных разностных схем, которые гарантируют соблюдение законовсохранения, в некоторых случаях получается регулярная интерференция там, где она ужедолжна быть маховской. Часто в решениях присутствуют различные паразитные артефакты,нефизичные осцилляции, энтропийные дорожки и т.п. А некоторые тонкие элементы УВСиногда наоборот теряются. Так было с явлением парадокса Неймана, когда долгое время вчисленных расчетах не удавалось выявить отраженную волну разрежения.
Таким образом, есливид УВС заранее неизвестен, то интерпретировать результаты численных расчетов нужно сопределенной долей осторожности. Задачу построения эффективных разностных методовосложняет и то, что в классическом виде условия динамической совместности на разрывах иизвестные решения задачи о распаде произвольного разрыва весьма неудобны для создания наих основе расчетных методик и нуждаются в доработке под современные требования.Решению перечисленных выше проблем посвящена настоящая работа.Научная проблема, на решение которой направлена работа - разработка научных иметодологических основ моделирования газодинамических рабочих процессов ваэрокосмической технике с применением оптимальных ударно-волновых структур, с учетом ихперестроек, неоднозначности и гистерезиса.Цель диссертационной работы -развитие теории интерференции газодинамическихразрывов в части разделов, связанных с нерегулярной интерференцией ударных волн,определением условий отбора решений в областях многозначности решения, условийперестройки ударно-волновых структур в результате как регулярной, так и маховскойинтерференции.Предмет исследования - одиночные газодинамические разрывы и волны, объединенные вударно-волновые структуры; ударно-волновые процессы, преобразующие одно состояниегазодинамической системы в другое.Задачи исследования.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
