Диссертация (1145329), страница 32
Текст из файла (страница 32)
При этом могут быть получены отраженные скачки уплотнения, интенсивностькоторых отличается в очень большой степени. Данлэп предложил [238] использовать этот факт‑для организации детонационного горения за одним из отраженных скачков с наибольшейинтенсивностью (рис.3.55-а), либо в симметричной системе ударных волн за ножкой Маха (рис.3.55-б) [239], схема которого исследуется в ИТПМ. Ножка Маха является пересжатой‑детонацией и может быть устойчивой, если скорость полета превышает скорость ЧепменаЖуге. За косым отраженным скачком можно организовать горение как в сверхзвуковом, так и вдозвуковом потоке. Это зависит от интенсивности скачка.!185а)б)1 - клинья воздухозаборника, формирующие косые скачки 2, которые взаимодействуют междусобой с образованием ножки Маха 3, топливная смесь детонирует на ножке Маха и сгорает вкамере сгорания 4 в области 5, ограниченной с двух сторон слоями смешения и областями сосверхзвуковым течением, которые отделяют область горения от стенок, продукты сгораниярасширяются в сопле 6, создавая реактивную тягу.Рисунок 3.55 - Двигатели со стационарной детонацией: Данлэпа (а) и ИТПМ (б).Топливо инжектируется в сверхзвуковой поток, а детонационная волна стабилизируетсяклином или каким-либо другим способом.
Продукты горения расширяются в сопле ипроизводят реактивную тягу. Такие двигатели называются двигателями со стационарнойдетонацией.Отражение косой ударной волны от стенки имеет непосредственное отношение кпроблеме создания ротационного детонационного двигателя (RDE). Войцеховским приизучении распространения детонационной волны по круглой трубе обнаружено интересноеявление, которое он назвал спиновой детонацией. При превышении противодавления в трубевыше некоторого критического значения тройные конфигурации фронта детонацииперестраиваются таким образом, что фронт горения начинает двигаться в азимутальномнаправлении. В результате область горения описывает спиралевидную траекторию (рисунок3.56), причем скорость поступательного движения в точности равняется скорости плоскойдетонационной волны CJ.!186]]Рисунок 3.56 - Структура спиновой детонации в трубе.Обзор технических решений в области проектирования и создания детонационныхдвигателей, а также научных проблем, возникающих при их реализации, приведен в обзоре[240].‑Видимо, идея запустить детонационную волну по кругу первому пришла в голову Николсу[241].
Он предложил конструкцию реактивного двигателя, состоящего из двух коаксиальных‑цилиндров (рисунок 3.57-а).]]a)б)Рисунок 3.57 - Идеальная (a) и реальная (б) картина течения в RDE Николса.В идеальной схеме Николса (рис. 3.57-а) свежая топливная смесь 1 (голубой цвет)подается в кольцевой зазор через торец 2 и детонирует на прямой ударной волне 3, высотакоторой h в точности равняется толщине слоя свежей непрореагировавшей топливной смеси 4.!187Продукты детонации (красный цвет) увлекаются косой ударной волной 5 в сторону выхода издвигателя 6. Истечение продуктов сгорания приводит к образованию реактивной тяги.
Дляподдержания стационарной детонационной волны требуется формирование смеси топлива иокислителя до того, как детонационная волна совершит полный оборот. В отличие отпульсирующего детонационного двигателя (PDE), отпадает необходимость инициированиядетонации в начале каждого цикла.Реальная картина течения (рис. 3.57-б), определенная в результате методичных численныхрасчетов Давиденко [242, 243] существенно сложнее. Лидирующие ударные волны 3 на самом‑‑деле косые, в зависимости отсоотношения внутреннего и внешнего диаметра они могутотражаться от внутренней поверхности регулярным образом или с образованием ножки Маха.Во втором случае быстрое горение происходит только на ножках Маха (рис.
3.58-а), которыевходят в СМК, распространяются относительно продуктов сгорания со скоростью М=1 иявляются пересжатыми детонационными волнами. В течении присутствуют также вторичныеударные волны, образующиеся в результате взаимодействия косых ударных волн спограничными слоями на стенках.]]а)б)1 - косая ударная волна, 2 - отраженная ударная волна, 3 - дозвуковое течение.Рисунок 3.58 - Реальная ударно-волновая структура в ротационном детонационномдвигателе Николса (а) и Войцеховского (б).В Институте гидродинамики СО РАН были проведены серийные эксперименты иБ.А.Войцеховским получена устойчивая ротационная детонации [244; 1959 г.] (в качестве‑топлива использовался керосин).
На основе результатов этих экспериментов предложенаконцепция ротационного двигателя Войцеховского [245, 1963 г.], который представлял собой‑диск с цилиндрической канавкой, накрытый сверху прозрачным стеклом (рис.3.58-б).!188Топливная смесь подавалась через центральный канал, а продукты сгорания удалялись спериферии.В ходе экспериментов выяснилось, что схема ударно-волновой структуры, предложеннаяНиколсом, неверна и в данном случае.
Созданная в начальный момент времени прямаядетонационная волнапревращается в косую ударную волну, отражающуюся от стенок собразованием тройных точек и ножек Маха. Моделирование детонации в каналах с выпуклымии вогнутыми стенками проводится в работах [246, 247 ], а экспериментальное исследование‑‑детонации в криволинейных каналах - в работе [248]. Все упомянутые выше исследования‑показали, что детонационное горение происходит не в прямой детонационной волне, а впоследовательности двух тройных конфигураций ударных волн (СМК).
Следовательно, имеетсязадача отыскания оптимальной УВС, в которой высота ножек Маха в СМК будет максимальной.Однако, решить эту задачу невозможно, т.к. установившаяся ротационная детонационная волнадвижется строго с определенной скоростью, что определяет угол наклона косой ударной волны,а следовательно, и скорость потока за ней, и высоту ножки Маха, величина которой вытекает извыполнения уравнения неразрывности для газа, прошедшего через ножу Маха и систему двухкосых ударных волн. Этот недостаток является неустранимым.3.17 Выводы к главе 3В третьей главе рассмотрена интерференция встречных скачков уплотнения и отражениекосого скачка от стенки и оси симметрии.
Приведены достаточно полные сведения о задаче,ранее разработанные методы исследования и полученные различными авторами ключевыерезультаты. Выполнены теоретические и численные расчеты, а также эксперимент методомгидроаналогии, которые позволили сделать следующие выводы.1. В областях неоднозначности решения при анализе перехода между РИ и МИ следуетвыбирать из двух возможных перестроек УВС ту, при которой не нарушаются теоремыБарышникова и Бодаевского.2. При увеличении числа ячеек разностной сетки численное решение для моментовперехода от регулярной интерференции к маховской и обратно в точности сходится ктеоретическим критериям фон Неймана (критерий отсоединения) и стационарной маховскойконфигурации (критерий механического равновесия).3.
Переход от маховской интерференции к регулярной происходит всегда в соотвествии скритерием стационарной маховской конфигурации, а обратный - в соотвествии с критерием!189отсоединения фон Немана, т.е. существует гистерезис - решение зависит от направленияизменения параметров (числа Маха или интенсивности приходящих скачков).4. Физическая и схемная вязкость приводит к сужению области неоднозначности решенияи уменьшению гистерезиса.
Причиной является размазывание скачков.5. Для каждого показателя адиабаты существует предельный угол разворота потока такой,что при углах клина больше предельного существуют только область маховской интерференциии область неоднозначности решения. Расчеты, выполненные для области неоднозначности,показали, что регулярная интерференция не реализуется, если при фиксированном угле клинаповышать число Маха от значений М< M0R.6. Эксперимент методом гидроаналогии показал, что в области неоднозначности возможенне только гистерезис, но и спонтанное переключение от маховского отражения на регулярное иобратно, которое происходит под воздействием внешних возмущений.7.
Калорическое несовершенство газа приводит к смещению момента перехода междурегулярной и нерегулярной интерференцией, что нужно учитывать при Т > 1000К.8. Отражение от оси симметрии всегда маховское. Диск Маха образует СМК в струе причисле Маха М > M0R.9. УВС с отражением скачка от стенки и интерференция несимметричных ВСУпредоставляют широкие возможности оптимального регулирования воздухозаборников идетонационных двигателей при скорости потока больше скорости Чепмена Жуге (М>3.3 втипичном случае).✹ !190Глава 4 Интерференция разрывов одного направленияРассматривается интерференция скачков уплотнения одного направления [249] или, как их‑еще называют, догоняющих скачков уплотнения (ДСУ). В результате пересечения скачковуплотнения одного направления в точке пересечения возникает ударно-волновая структура,содержащая главный скачок уплотнения, тангенциальный разрыв и еще один отраженныйгазодинамический разрыв, тип которого заранее неизвестен рис.4.1).]]a)б)]в)a - догоняющие одномерные ударные волны D1 и D2 , стрелками показано направление движения, б - косые догоняющие скачки уплотнения, в - центрированная изоэнтропическая волнасжатия, М - число Маха, Т - точка пересечения скачков уплотнения, R - отраженный разрыв, ν1,ν2 -разрывные характеристики, ограничивающие центрированную волну сжатия, σ1, σ2 - догоняющие скачки уплотнения, σ3 - главный скачок уплотнения, τ - тангенциальный разрыв, ωсволна сжатия, стрелками показаны линии тока, левая ← или правая → стрелка над обозначением газодинамического разрыва означает, соответственно, левое или правое направление этогоразрыва.Рисунок 4.1 - Интерференция разрывов одного направления.!191Наиболее просто представить себе взаимодействие газодинамических разрывов одногонаправления в одномерном случае, когда одна ударная волна догоняет другую (рис.4.1-а).
Поаналогии с одномерным случаем пересекающиеся косые скачки уплотнения одногонаправления, т.е. разворачивающие поток в одну сторону, называются "догоняющими скачкамиуплотнения". Таких скачков в УВС может быть несколько, чем их больше, тем ближе такаяконфигурация к центрированной изоэнтропической волне сжатия (рисунок 1.22-в), котораяявляется идеальной структурой для сжатия сверхзвукового потока и широко используется припроектировании гиперзвуковых воздухозаборников [250, 251].
Первые работы по изучению‑‑догоняющих скачков уплотнения, появились в 50-е и 60-е годы XX-века и были связаны споявлением двух- и трехскачковых регулируемых воздухозаборников сверхзвуковых самолетов[252, 253]. Большой вклад в развитие теории догоняющих скачков уплотнения, в выявление‑‑областей существования различных ударно-волновых структур с их участием внесли В.Н.Ускови А.Л.Старых. А.В.Омельченко и В.Н.Усковым было исследовано на экстремум поведениегазодинамических переменных за УВС с косыми догоняющими скачками уплотнения.В.Н.Усковым в полном объеме решена задача о взаимодействии одномерных ударных волнодного направления, в том числе, отвечающих некоторому критерию оптимальности.К началу 2000-х годов казалось, что данное явление изучено практически полностью.Однако многие сведения оставались фрагментарными, например, области существованияразличных случаев интерференции ДСУ были исследованы только для некоторых чисел Маха.Отсутствовала и теория перехода от УВС одного типа к другому.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
