Диссертация (1145329), страница 3
Текст из файла (страница 3)
В настоящее время, перед специалистами, работающими надпроблемой сверхзвуковой газовой динамики стоят следующие важные для практическогоприменения задачи:-Изучение УВС, характерных для детонационных двигателей, создание методологиипроектирования таких двигателей и оптимальных для них ударно-волновых процессов;!11-Проектирование трехмерных неуправляемых воздухозаборников, оптимизированных наскорость полета, соответствующую М=1.4-1.8;-Оптимизация сверхзвуковой аэродинамики в традиционном для современныхсверхзвуковых самолетов диапазоне чисел Маха М=1.8-2.2;-Разработка и оптимизация воздухозаборников комбинированного сжатия для скоростиполета, соответствующей М=3.5-5;-Разработка и оптимизация аэродинамики интегрированных силовой установки и планерагиперзвукового летательного аппарата, рассчитанного на скорости полета М=6-10.Исходя из этого, сформулированы задачи настоящей работы:1.
Методически полное изложение основных разделов теории интерференциистационарных плоских газодинамических разрывов за исключением задач рефракции волн иразрывов на тангенциальном и контактном разрыве. Задачи рефракции исключены израссмотрения исключительно из-за необходимости уложиться в нормативный объем работы.2. Изучение закономерностей поведения одиночных разрывов в окрестности кромкисопла, отражения скачков от оси симметрии и стенки, дифференциальных свойств скачков всверхзвуковых струях.3. Изучение влияния вязкости и калорического несовершенства газа на свойстваодиночного скачка уплотнения, а также на параметры отражения скачка от стенки.4.
Изучение фронта горения в сверхзвуковом потоке как газодинамического разрыва.5. Определение множества допустимых перестроек газодинамических разрывов иобоснование применимости условий динамической совместности, разработанных дляидеального газа, к изучению свойств разрывов в реальном газе.6. Изучение регулярной и маховской интерференции встречных скачков уплотнения,имеющих различную интенсивность, регулярного и маховского отражения косого скачка отстенки и от оси симметрии, проверка и обоснование критериев перехода от регулярного типаинтерференции к маховскому типу и назад.7.
Параметрическое исследование зависимости интенсивности исходящих разрывов отпараметров приходящих скачков и характеристик течения перед ударно-волновой структурой.8. Изучение регулярной и нерегулярной интерференции скачков одного направления(догоняющих скачков).9. Изучение экстремальных и оптимальных ударно-волновых структур, тройныхконфигураций ударных волн.!1210. Комплексное исследование областей существования различных ударно-волновыхструктур, возникающих при произвольном взаимодействии двух скачков уплотнения, условийобъединения одиночных разрывов, тройных точек в сложные многоскачковые ударно-волновыеструктуры.11.
Исследование точных и приближенных решений задачи о произвольномвзаимодействии двух сверхзвуковых потоков, изучение разностных схем, разработанных на ихоснове для расчета течений с сильными газодинамическими разрывами.Новизна. Ряд существенных теоретических и экспериментальных результатов былполучен впервые:1. В общем виде введены законы сохранения на разрыве, непосредственно следующие изгеометрической теории ударных волн, каустик и волновых фронтов.
Показано, что эти законыдля газодинамического разрыва в идеальном газе и ударной волны в уравнении Бюргерса сисчезающей вязкостью одни и те же, т.е. теорией, развитой для разрывов в сверхзвуковомпотоке идеального газа, можно пользоваться и для анализа ударных волн в реальном газе.Привлечение теории особенностей гладких отображений, зависящих от параметра, позволилодать исчерпывающий список типов УВС, которые могут возникать, и список их трансформацийи перестроек в УВС других типов.2. Найден практически исчерпывающий список допустимых УВС, их трансформаций иперестроек, а теория ГДР дополнена исследованием центрированной изоэнтропической волнысжатия.3.
Разработан метод расчета УВС в калорически несовершенном газе и дан анализ влияниякалорического несовершенства газа на перестройки УВС при отражении ударной волны оттвердой стенки и при интерференции встречных скачков.4. Дополнена теория интерференции встречных и догоняющих скачков уплотнения,исследованы области существования регулярной и маховской интерференции, несовершенствагаза. Обсуждены механизмы гистерезиса. Исследованы УВС, состоящие из двух и трех тройныхконфигураций.5.
Проанализированы численные методы, основанные на решении задачи о распадепроизвольного разрыва в приближенной и точной постановке. Проведены тесты разностныхсхем повышенного порядка точности.6. Построены границы существования различных ударно-волновых структур,образующихся при произвольном взаимодействии двух скачков уплотнения. Найденызависимости интенсивности отраженного разрыва от числа Маха и интенсивностей приходящих!13скачков.
Впервые исследована маховская интерференция догоняющих скачков. Исследованыструктуры, состоящие из двух и трех тройных точек.7. Экспериментально исследована возможность обеспечения стабилизации фронтагорения в сверхзвуковом потоке.Достоверность полученных результатов обеспечивается комбинированием аналитическихрешений с численным и натурным экспериментом, сравнением с результатами других авторов.В качестве теоретической основы использована математическая теория особенностей гладкихотображений в приложении к ударным волнам и волновым фронтам.Научная значимость полученных результатов состоит в том, что с помощьюматематической теории перестройки волновых фронтов введена исчерпывающаяклассификация газодинамических разрывов, ударно-волновых структур и ударно-волновыхпроцессов, исследованы области существования оптимальных ударно-волновых структур,доставляющих экстремум заданному функционалу оптимальности, закономерности ихтрансформации и перестройки структур одного типа в другой, определены типы этих структур,для областей неоднозначности даны однозначные критерии отбора решений.
Подробноечисленное исследование маховской интерференции скачков вплоть до чисел Маха М=7показало, что переход от регулярной интерференции к маховской осуществляется всоответствии с критерием фон Неймана, а от маховской к регулярной - в соответствии скритерием стационарной маховской конфигурации, известной также, как критериймеханического равновесия. Для каждого числа Маха существует предельный угол разворотапотока, выше которого интерференция всегда маховская. Эти результаты подтверждены втерминах теории особенностей гладких отображений - критерию фон Неймана соответствуетпринцип наибольшего промедления, критерию стационарной маховской конфигурации принцип Максвелла. Показано, что влияние вязкости сужает области неоднозначности, акалорическое несовершенство газа расширяет.
Важно, что все эти результаты получены длядиапазонов чисел Маха, в которых наиболее выгодно осуществлять сверхзвуковой игиперзвуковой полет.Практическая значимость. Большое внимание уделено практическому применению УВСв силовых установках летательных аппаратов, детонационных двигателях, воздухозаборниках исоплах при скоростях полета до М=7. Приведенные в работе примеры анализавоздухозаборников внешнего и комбинированного сжатия, а также воздушно-реактивныхдвигателей, предназначенных для полетов с большими сверхзвуковыми скоростями,демонстрируют наличие областей скоростей полета, в которых оптимальными будут!14внутренние теченияс различными УВС. Определены области чисел Маха, в которыхоптимальными являются интерференция догоняющих скачков, смешанное сжатие с внутреннимпереотражением скачка и интерференция встречных скачков.
Исследованы области чисел Маха,в которых эти УВС являются структурно устойчивыми.На защиту выносятся:1. Развитие теории интерференции стационарных газодинамических разрывов в частиотсутствующих в ней разделов, таких как: обоснование критериев перехода от регулярнойинтерференции к маховской и обратно, анализ центрированной волны сжатия,маховскойинтерференции догоняющих скачков.2. Геометрическая теория ударной волны, определение исчерпывающего перечнявозможных перестроек волн, волновых фронтов и разрывов, а также типов образующихся врезультате их взаимодействия ударно-волновых структур.3. Теория перестроек УВС, методики проектирования УВС с оптимальными свойствами.4.
Критерии отбора физически реализуемых решений в областях неоднозначности, когдасуществующая теория допускает два или три различных решения.5. Результаты экспериментальных исследований.Апробация работы. Основные результаты исследований, изложенные в диссертации,были представлены в 2014-2016 гг. на семи ведущих международных семинарах, научныхконференциях 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 сотрудниклаборатории В.В.Упырев).2. Пятый научный семинар по горению и взрыву, посвященный памяти профессора Б.Е.Гельфанда, Санкт-Петербург, 4-5 октября 2016.3. 22nd International Shock Interaction Symposium (ISIS22), 4-8 July 2016, Glasgow, UK [5].‑4. 3rd IAA Symposium «Space Flight Safety», 4-8 July, 2016, St Petersburg, Russia.5. 10th International Colloquium on Pulsed and Continuous Detonations. 4-8 July, 2016, St Petersburg, Russia.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
