Диссертация (1149877)
Текст из файла
Санкт-Петербургский государственный университетНа правах рукописиПродан Николай ВасильевичНЕСТАЦИОНАРНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СВЕРХЗВУКОВЫХ СТРУЙ МЕЖДУ СОБОЙИЛИ С ПРЕГРАДОЙСпециальность 01.02.05 – Механика жидкости, газа и плазмыДиссертация на соискание ученой степени кандидатафизико-математических наукНаучный руководитель работыд.ф.-м.н., профессорМатвеев С.К.Санкт-Петербург20162ОглавлениеОбозначения ....................................................................................................................................... 3Введение .............................................................................................................................................
4Глава 1. Предмет и методы исследования, обзор состояния проблемы сверхзвуковых теченийс внезапным расширением.............................................................................................................. 131.1 Основные понятия, задачи и цели исследования ...............................................................
131.2 Обзор этапных работ ............................................................................................................. 161.3 Методика экспериментальных исследований .................................................................... 231.4 Методика численного моделирования ................................................................................ 27Глава 2 Экспериментальные исследования компоновки с одним соплом................................. 422.1 Качественная картина истечения сверхзвуковой струи из круглого сопла Лаваля вканал с внезапным расширением ............................................................................................... 432.2 Режимы течения и зависимость донного давления при истечении сверхзвуковой струииз сопла в канал с внезапным расширением .............................................................................
522.3 Определение границ режимов течения сверхзвуковой струи в канал с внезапнымрасширением, анализ режима предельной нерасчетности ...................................................... 582.4 Низкочастотные колебания при истечении сверхзвуковой струи из круглого соплаЛаваля в канал с внезапным расширением ............................................................................... 67Глава 3 Экспериментальные исследования компоновки с блоком сопел .................................. 783.1 Качественная картина истечения блочной сверхзвуковой струи в канал с внезапнымрасширением ................................................................................................................................ 783.2 Изменение донного давления при истечении сверхзвуковой струи из двухсопловогоблока в канал с внезапным расширением.
................................................................................ 823.3 Режим предельной нерасчетности при истечении струи из двухсоплового блока в каналс внезапным расширением.......................................................................................................... 91Глава 4 Численное моделирование и интерпретация результатов экспериментов ..................
964.1 Дисбаланс расходов газа в донной области и закономерности течения на стационарныхи переходных режимах ............................................................................................................... 964.2 Анализ расходных колебаний круглой струи в канале с внезапным расширением .......
984.3 Анализ расходных колебаний кольцевой струи в канале с внезапным расширением . 1134.4 Расчетное и экспериментальное обоснование расходного механизма колебаний ....... 126Заключение..................................................................................................................................... 132Список литературы ........................................................................................................................
1363ОбозначенияАР – автомодельный режим;ЗДО – закрытая донная область;НАР – неавтомодельный режим;ОДО – открытая донная область;ООФ – область определения функции;ПГК – псевдогармонические колебания;ПП – переходный процесс;РК – релаксационные колебания;СК – составные колебания;ТВР – течение с внезапным расширением потока;УВП – ударно-волновой процесс;УВС – ударно-волновая структура.4ВведениеАктуальностьисследования.Однойизсамыхактуальныхзадач,возникающих при проектировании авиационных и ракетно-космическихтранспортных систем, является задача уменьшения донного сопротивления. Напротяжении минимум шестидесяти последних лет для моделирования теченийв окрестности донных частей летательных аппаратов, а также в соплахдвигательных установок использовалось течение в цилиндрическом канале свнезапным расширением поперечного сечения.Среди многих задач газовой динамики, связанных с взаимодействиемсверхзвуковых струй с преградами, течение сверхзвуковых струй в каналах свнезапным расширением представляет особый вид, относящийся к отрывным.Такие течения реализуются в различных технических устройствах ракетнокосмической техники и технологических установках: в пусковых трубах,соплах с разрывом образующей, газодинамических лазерах, диффузорахстендов имитации высотных условий, фурмах и дутьевых устройствахметаллургических печей, в газовой арматуре и трубопроводах химическойпромышленности.
Явление турбулентного отрыва, как и всякое явлениеприроды, по мере углубленного изучения представляется все более сложным посвоим свойствам, формам и проявлениям. Однако, с практической точкизрения, в исследовании турбулентного отрыва достигнут несомненныйпрогресс, благодаря чему наличие развитого отрыва и его главные свойстваможно предсказать и правильно учитывать при проектировании техническихустройств. Разнообразие реальных отрывных турбулентных течений, ихсложная физическая природа и отсутствие общей теории приводят кнеобходимостисочетанияфизическогоэкспериментаирасчетныхприближенных и аналитических исследований в большей степени, чем в другихразделах газовой динамики.
Задача о распространении сверхзвуковых струй вканалах с внезапным расширением является традиционной для прикладной5газовой динамики. Интенсификация исследований в данном направленииобусловлена требованиями практики создания новой транспортной техники, втом числе, рассчитанной на большие сверхзвуковые скорости полета.Актуальность исследования течения в канале с внезапным расширением(ТВР) определяется тем, что выявленные в данном простом случае режимыповторяются в более сложных технических устройствах, в которых такжеимеются отрывные течения.
Например, это могут быть сопловые блоки,эжекторы, камеры сгорания со сверхзвуковым горением, фронтовые устройствадвигателей гиперзвуковых летательных аппаратов.Научная новизна. Ряд научных результатов получен впервые в мире инашел свое отражение в подготовленных к печати публикациях автора.Получены обобщающие зависимости, характеризующие различные режимытечения в канале. Установлено, что истечение из двухсоплового блока иистечение одиночной струи в канал с внезапным расширением подобны, заисключением колебательного режима. Подробно исследован режим предельнойнерасчетности при разных сочетаниях геометрических параметров установки.Путем сопоставления данных натурного и численного эксперимента, атакже путем вычисления в разных точках колебательного цикла значенияфункциидисбалансарасходовгазаустановленфизическиймеханизмколебаний.
Путем вычисления автокорреляционных функций на режимевысокочастотных колебаний установлено, что эти колебания не могут бытьотнесены к «белому шуму», а являются хаотическим аттрактором. Установленыфизические механизмы переходных режимов и причины возникновениягистерезиса.Предмет исследования. Предметом исследования является объединяющаявсе технические приложения ТВР одна общая проблема – отрывноесверхзвуковое течение и связанное с ним донное давление.6Методы исследования. Методология проведения исследований сочетаетуглубленное аналитическое изучение свойств ударно-волновых процессов вканале с внезапным расширением, разработку новых численных методовповышенной точности и исследования с их помощью ударно-волновыхпроцессов, а также натурный эксперимент.
В процессе работы изучалисьосновные типы ударно-волновых структур, возникающих при взаимодействииодиночной и блочной сверхзвуковой струи со стенками цилиндрическогонасадка - канала с внезапным расширением. Исследовались области ихсуществования, динамика колебаний ударно-волновой структуры, предельныережимы. В результате обработки экспериментальных данных полученыпараметрические зависимости ключевых параметров течения от геометрииустановки. Для углубления понимания физической картины явлений авторомпроводилось систематическое численное моделирование отрывных течений вканале с внезапным расширением поперечного сечения.
Задача решалась восесимметричной постановке с использованием уравнений Навье-Стокса,осредненных по Рейнольдсу (RANS). В исследовании использовались сопла сМа = 1, 2, 3, углами полураствора сопел θа = 8°, 15°. При отработке методикичисленного моделирования исследовалась применимость различных моделейтурбулентности для расчета стационарных и нестационарных отрывныхтечений, а также возможность проведения расчетов методом установления илив полностью нестационарной постановке.Цели и задачи. Целью работы является экспериментальное и численноеисследование явления истечения сверхзвуковой струи и блока сверхзвуковыхструй с внезапным расширением на различных режимах и выявление основныхфизических механизмов и процессов, сопровождающих эти явления.В задачи исследования входит: выявление основных и переходныхрежимов сверхзвукового истечения струи или струй в канал с внезапнымрасширением поперечного сечения при заданных условиях окружающей среды,изучение стационарных и нестационарных (переходных и колебательных)7режимов сверхзвукового течения, разработка численного метода решениязадачи как на стационарных, так и на нестационарных режимах, доказательстворасходного механизма поддержания колебаний, проведение сравнительногоанализа режимов течения для односопловых и многосопловых систем,параметрическое исследование зависимости характерных полных давленийперед соплом, отвечающих точкам переключения между режимами, отгеометрических параметров установки и параметров окружающей среды.Достоверность научных положений.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
