НШ-8425.2016.1: Актуальные проблемы газодинамики высокоскоростных течений и быстропротекающих процессовНИР

Actual problems of gas dynamics of high speed flows and fast processes

Источник финансирования НИР

грант Президента РФ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 июня 2016 г.-31 декабря 2016 г. Актуальные проблемы газодинамики высокоскоростных течений и быстропротекающих процессов. Этап 1.
Результаты этапа: 1. Газодинамика горения и детонации. 1.1 Газовая детонация в высокоскоростных потоках. С использованием детального кинетического механизма химического взаимодействия численно исследована возможность управления детонационным горением стехиометрической водородно-воздушной смеси, поступающей со сверхзвуковой скоростью в плоский симметричный канал с пережатием, с целью определения условий обеспечивающих стабилизацию детонационной волны в потоке. Для инициирования детонации в потоке в начальный момент времени использовался мгновенный подвод сверхкритической (достаточной для прямого инициирования детонации) энергии. Решение уравнений газовой динамики, описывающих плоское двумерное нестационарное течение невязкой нетеплопроводной многокомпонентной газовой смеси, совместно с уравнениями детальной химической кинетики (А.М. Старик и др. 2010) было проведено конечно-разностным методом, основанным на схеме С.К. Годунова. Численное моделирование выполнено при шаге разбиения расчетной сетки 0.02 − 0.04 мм, обеспечивающем корректное разрешение структуры детонационной волны. Расчеты проводились на суперкомпьютере «Ломоносов» суперкомпьютерного комплекса МГУ имени М.В. Ломоносова, для уменьшения временных затрат использовалось гибридное распараллеливание расчетов MPI/OpenMP. Для ряда значений числа Маха входящего потока определены параметры канала, обеспечивающие формирование в нем создающего тягу течения со стабилизированной волной детонации. Рассмотрено влияние изменения числа Маха входящего потока и размера выходного сечения канала на положение в потоке стабилизированной детонационной волны. Предложен способ формирования в рассматриваемом канале с пережатием создающего тягу течения со стабилизированным детонационным горением без каких-либо затрат энергии. 1.2 Газовая детонация в каналах сложной формы и в камерах сгорания. Рассмотрена задача об инициировании детонации в сверхзвуковом потоке стехиометрической пропановоздушной смеси в плоском канале постоянной ширины с изгибом. В зоне изгиба стенки канала имеют форму дуг окружностей заданных радиусов, длина которых определяется заданным углом его поворота. Исследование проводится в рамках одностадийной кинетики горения численным методом, основанным на схеме С.К. Годунова, в оригинальном программном комплексе, разработанном для проведения многопараметрических расчетов и визуализации течений. Определены критические условия возникновения детонации, связанные со скоростью набегающего потока, углом поворота канала, его шириной и радиусами кривизны стенок. 1.3. Численно-экспериментальное исследование тягового модуля авиационного двигателя оригинальной компактной конструкции. Продолжено численно-экспериментальное исследование модели тягового модуля авиационного двигателя оригинальной компактной конструкции, состоящего из кольцевого щелевого сопла и резонаторной полости полусферической формы, в которой обеспечивается формирование авторегулируемого газового центрального тела. Проведены экспериментальные исследования незатухающих квазипериодических режимов течений продуктов сгорания ацетиленовоздушных смесей в кольцевом сопле с внутренним дефлектором. Получены аналоговые сигналы пульсаций давления на тяговой стенке сопла. Установлено, что появление изменяющихся по амплитуде и незатухающих по времени максимумов давления в центре тяговой стенки наблюдается в среднем примерно через каждые 43.7 мкс, что соответствует средней частоте следования импульсов в 22.9 Кгц при скважности равной 2.82. Выполнена оцифровка типичных регистрируемых сигналов давления в режимах течения с пульсациями и при их отсутствии. Подготовлены массивы числовых данных для спектрального анализа квазипериодических сигналов давления с использованием дискретного преобразования Фурье. Проведена серия численных расчетов в осесимметричной постановке для осредненных по Фавру уравнений Навье – Стокса, описывающих воспламенение и горение ацетилено-воздушной смеси в полусферической камере сгорания экспериментальной установки НИИ механики МГУ. Проведено численное исследование зависимости частоты и амплитуды колебаний параметров течения в тяговом устройстве с кольцевым и щелевым соплами на продуктах сгорания ацетилено-воздушной смеси от условий на входе и выходе из устройства и его геометрии. Установлена возможность развития автоколебательных пульсирующих режимов сгорания смеси. Полученные результаты могут быть использованы при разработке тяговых устройств такого типа. На основе уравнений Эйлера в трехмерном пространстве проведены расчеты нормального и вихревого течения воздуха в осесимметричном сопловом устройстве НИИ механики МГУ с условным диаметром выхлопа 70 мм и дефлектором сферической формы. Сформирована трехмерная расчетная область и сетка, соответствующие по геометрии и размерам сопловому устройству. Расчеты проведены на суперкомпьютере МГУ «Ломоносов» для величины критического сечения 4.4 мм при значениях температуры и давления торможения T*=400 K и P*=10 атм соответственно, при значениях температуры и давления воздуха в пространстве истечения Te=300 K и Pe=0.01 атм соответственно. Результаты исследования проиллюстрированы полями газодинамических параметров и графиками временных зависимостей силы, действующей на тяговую стенку. Показано, что задание вихревого втекания воздуха приводит к силе меньшей, чем при нормальном втекании при прочих равных условиях. 1.4. Термо- и газодинамический анализ условий воспламенения газовых смесей. Экспериментально определены нижние концентрационные пределы распространения пламени в горючих смесях метан-воздух, ацетилен-воздух, водород-воздух и бутан-воздух. Проведен анализ полученных ранее значений концентрационных пределов распространения пламени в метановоздушных смесях с добавками на основе правила А. Ле Шателье с альтернативными наборами констант. 2. Распространение и взаимодействие ударных волн. 2.1. Взаимодействие ударной волны с облаком пыли. Проведено численное моделирование взаимодействия ударной волны с цилиндрическим облаком кварцевой пыли небольшой концентрации в рамках модели равновесной пылегазовой смеси. Описано преломление падающей волны, а также формирование и фокусировка поперечных ударных волн. Обнаружены два качественно различных режима взаимодействия – внешний и внутренний, – реализующиеся при различных значениях концентрации пыли. Определена зависимость положения пиковой точки фокусировки и относительной интенсивности фокусировки волн от объемной концентрации пыли в облаке в диапазоне от 0.01% до 0.15%. При повышении концентрации пыли точка фокусировки приближается к границе и смещается внутрь облака, а интенсивность фокусировки существенно возрастает. 2.2. Взаимодействие ударной волны с тонким слоем. На основе уравнений Эйлера исследована задача о взаимодействии ударной волны с продольным полубесконечным плоским слоем или цилиндрическим каналом конечной ширины, заполненным газом пониженной плотности. Описана газодинамика течения, включающая качественно различные – регулярные и нерегулярные – режимы взаимодействия. Обнаружены новые газодинамические элементы течения: высоконапорные струи с волновой внутренней структурой и слоистые вихри. Выявлено замедление роста газодинамического “предвестника” на больших временных интервалах, обусловленное эффектом запирания потока и развитием завихренности за его фронтом. 2.3. Экспериментальное исследование распространения и взаимодействия ударных волн. Проведена модернизация экспериментальной установки «Ударная труба Квадрат» с заменой основного рабочего элемента ударной трубы – импульсного высокоскоростного пневматического клапана – на клапан большего сечения, меньшего времени раскрытия, большего допустимого давления в камере высокого давления и большей долговечности, что обеспечивает большие интенсивности падающей ударной волны и меньшее время формирования падающей ударной волны. Выполнено тестирование установки и предварительные эксперименты по формированию конической отрывной зоны в результате нестационарного взаимодействия ударной волны с осесимметричным пограничным слоем на тонком теле. 3. Сверхзвуковое обтекание тел при наличии неоднородностей и областей энерговклада в набегающем потоке. 3.1. Проведено численное моделирование столкновения движущихся со сверхзвуковой скоростью тел с газовыми пузырями пониженной и повышенной плотности при различных числах Маха. Обнаружен эффект внезапного скачкообразного увеличения давления и плотности в критической точке тела до значений многократно превышающих значения, рассчитанные из решения задач Римана по одномерной теории. Показано, что эффект объясняется воздействием тонких кумулятивных струй, формирующихся при фокусировке поперечных ударных волн на оси симметрии в результате перестройки течения при взаимодействии головной ударной волны с газовым пузырем. Установлено, что быстропротекающий процесс фокусировки в целом согласуется с известными сценариями фокусировки для взаимодействия плоской ударной волны с газовыми пузырями с учетом некоторой специфики, обусловленной наличием тела. Проведено параметрическое исследование взаимодействия тел с эллипсоидальными газовыми пузырями различной плотности, размера и удлинения. Показано, что для создания наилучших условий для фокусировки поперечных ударных волн, и, соответственно, достижения наибольшей кумуляции размеры пузыря должны быть порядка расстояния отхода головной ударной волны на центральной линии тока, а его форма – близка к сферической. 4. Неравновесная физико-химическая газовая динамика. 4.1. Проведены численные исследования процесса сверхзвукового горения в модельном ГПВРД в условиях, соответствующих числу Маха полета 12 с большой длиной задержки воспламенения в камере сгорания, при использовании в качестве топлива водорода. Изучены возможности существенного снижения длины задержки воспламенения и повышения полноты сгорания при использовании локального селективного воздействия на поток с помощью резонансного лазерного излучения с длиной волны 762.3 нм или 193.3 нм, что приводит, соответственно, к возбуждению молекул кислорода в электронные синглетные состояния или к фотодиссоциации молекул кислорода. Возбужденные молекулы непосредственно участвуют в реакциях инициирования и продолжения цепи, а скорости реакций с участием возбужденных молекул возрастают в десятки и сотни раз. Фотодиссоциация позволяет исключить стадию инициирования цепи, что может оказаться эффективным при использовании этого метода для воспламенения водородно-воздушной смеси в условиях малого времени пребывания топливно-воздушной смеси в камере сгорания. Показана энергетическая эффективность такого воздействия на поток. Прирост выделившейся при горении химической энергии в 40-50 раз превышает энергозатраты на лазерное облучение. При этом удается существенно повысить не только полноту сгорания, но и тяговые характеристики устройства. 4.2. Выполнено численное исследование влияния двух способов масштабирования кольцевой камеры – одновременно как в окружном, так и в продольном направлении и только ее диаметра при сохранении длины камеры – на существование решения с непрерывно-вращающейся детонационной волной. Расчеты нестационарного течения выполнены с использованием математической модели, основанной на двумерной постановке задачи в рамках системы уравнений Эйлера для многокомпонентной реагирующей смеси газов. Рассматривается пропано-воздушная смесь. Для описания процесса горения применялся редуцированный реакционный механизм, который включает 156 обратимых химических реакций для 27 компонентов. Постановка задачи обусловлена отмечавшейся ранее в ряде публикаций проблемой отбора физически значимых численных решений с определением минимальной окружной длины камеры сгорания, в которой реализуется единственная детонационная волна. Особое внимание было уделено анализу зависимости численного решения от размеров ячейки расчетной сетки. Показано, что в рассмотренной постановке задачи срыв детонационной волны при масштабировании диаметра камеры определяется размером ячейки расчетной сетки в направлении распространения детонационной волны. Способ масштабирования диаметра камеры – одновременное изменение продольного и окружного размера или изменение только окружного размера – не сказывается на данном выводе. Существует критический размер расчетной ячейки в окружном направлении камеры, определяемый используемой кинетической моделью (наряду с упомянутым редуцированным реакционным механизмом рассматривался также широко используемый квазиглобальный механизм). 4.3. Численно исследовалась возможность управления процессами формирования детонационной волны и ее распространения в трубе, заполненной водородно-воздушной смесью, с помощью последовательности локальных воздействий на поток, в процессе которых в малых областях осуществляется селективное возбуждение молекул кислорода в электронное синглетное состояние О2(а1). Показано, что в рамках рассмотренной одномерной постановки задачи можно существенно снизить энергию инициирования и предотвратить срыв детонационной волны на заданной длине трубы. 5. Электрогазодинамика 5.1 Исследование воздействия диэлектрического барьерного разряда на газодинамику внутренних и внешних течений. С помощью численного моделирования изучены особенности воздействия диэлектрического барьерного разряда (ДБР) на переход ламинарного течения в турбулентное на плоской пластине при наличии возмущений во внешнем потоке. Распределения плотностей электрической силы и мощности разряда, действующих на газ, предполагались однородными в заданном объеме разряда. Использовалась дифференциальная модель для турбулентной вязкости, значение которой на границе пограничного слоя для моделирования внешних возмущений предполагалось отличным от нуля. Выполнено экспериментальное исследование диэлектрического барьерного разряда в модельном лопаточном канале. Был спроектирован и изготовлен аэродинамический лопаточный стенд для моделирования обтекания лопаточных решеток с применением активного управления пристеночными течениями. Изготовлены лопатки для детального изучения пульсирующего вдува воздуха, синтетических струй и ДБР. Определено влияние разряда на уровень потерь полного давления в канале. Выполнено расчетное исследование течения в межлопаточном канале при воздействии ДБР в условиях испытательного стенда. Определено оптимальное место установки актуатора относительно отрывной зоны.
2 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Актуальные проблемы газодинамики высокоскоростных течений и быстропротекающих процессов. Этап 2.
Результаты этапа: 1. Газодинамика горения и детонации. 1.1 Численное исследование детонационного горения стехиометрической водородно-воздушной смеси, поступающей со сверхзвуковой скоростью в плоский симметричный канал с пережатием с учетом детальной кинетики химического взаимодействия. Для инициирования детонации в потоке в начальный момент времени использовался мгновенный подвод сверхкритической (достаточной для прямого инициирования детонации) энергии. Решение уравнений газовой динамики, описывающих плоское двумерное нестационарное течение невязкой нетеплопроводной многокомпонентной газовой смеси, совместно с уравнениями детальной химической кинетики (А.М. Старик и др. 2010) было проведено конечно-разностным методом, основанным на схеме С.К. Годунова. Численное моделирование выполнено при шаге разбиения расчетной сетки 0.02 − 0.04 мм, обеспечивающем корректное разрешение структуры детонационной волны. Расчеты проводились на суперкомпьютере «Ломоносов» суперкомпьютерного комплекса МГУ имени М.В. Ломоносова, для уменьшения временных затрат использовалось гибридное распараллеливание расчетов MPI/OpenMP. Определены условия, обеспечивающие формирование в канале создающего тягу течения со стабилизированной волной детонации, инициируемой энергоподводом. Исследовано влияние изменений числа Маха входящего потока, концентрации инертных частиц пыли, добавленных в поступающую в канал горючую смесь, и геометрических параметров канала на положение стабилизированной в потоке детонации. Указаны некоторые способы управления положением волны, позволяющие повышать эффективность детонационного сжигания газовой смеси. В канале, геометрические параметры которого обеспечивают стабилизацию инициируемой энергоподводом детонационной волны, установлена возможность формирования создающего тягу течения со стабилизированной детонацией без затрат энергии в случае инициирования детонационного горения с помощью препятствия (барьера). Исследовано влияние положения препятствия, его высоты и времени существования на стабилизацию детонационного горения в потоке. 1.2 Численное исследование нестационарных трехмерных задач газовой детонации для камер сгорания сложной конфигурации. Численное моделирование проведено с использованием оригинального специализированного программного комплекса на суперкомпьютере «Ломоносов» МГУ. В комплексе реализован ориентированный на пользователя графический интерфейс, который обеспечивает задание геометрии расчетной области, начальных данных и граничных условий; подготовки расчета с учетом загрузки ядер процессора и запуска задачи на суперкомпьютере «Ломоносов» МГУ; визуализацию результатов расчета на персональной рабочей станции. Проведено численное моделирование сверхзвуковых течений воздуха и пропановоздушной смеси в плоском канале постоянной ширины с изгибом. Рассмотрен случай частичной подачи горючего в виде струи, примыкающей к одной из стенок канала. Проанализированы возникающие картины течения в зависимости от угла поворота канала, радиуса поворота и скорости набегающего потока. Рассмотрено два расположения струи горючей смеси – около одной из двух стенок канала. Проведена классификация режимов детонации в зависимости от указанных параметров и получен режим детонации с ее галопированием вблизи изгиба. Сформулирована задача, моделирующая процесс инициирования и сгорания смеси в трёхмерной детонационной волне, вращающейся около входа в камере сгорания специальной конструкции с кольцевым соплом. Горючая смесь поступает в кольцевое сопло в виде однородного потока, проходя через зазор между двумя параллельными плоскостями, перпендикулярными оси симметрии устройства. Реализована система подачи смеси в камеру сгорания с учётом соотношения давления в резервуаре и статического давления в камере сгорания на входе в неё. Проведён цикл расчётов, позволивший получить оптимальные значения параметров инициатора вращающейся детонации. Инициатор представляет собой зону энерговыделения, расположенную рядом с твердой стенкой, которая исчезает (сгорает) за определённое время. Получены и проанализированы нестационарные ударно-волновые структуры, возникающие в процессе формирования стационарной вращающейся детонации. 1.3. Численное и экспериментальное исследование газодинамических процессов в модели тягового модуля авиационного двигателя оригинальной компактной конструкции, состоящего из кольцевого щелевого сопла и резонаторной полости полусферической формы, в которой обеспечивается формирование авторегулируемого газового центрального тела. На основе уравнений Эйлера проведены расчеты нормального и вихревого течения воздуха в осесимметричном сопловом устройстве НИИ механики МГУ с условным диаметром выхлопа 70 мм и дефлектором сферической формы. Сформирована трехмерная расчетная область и сетка, соответствующие по геометрии и размерам сопловому устройству. Расчеты проведены на суперкомпьютере МГУ «Ломоносов» для величины критического сечения 4.4 мм при значениях температуры и давления торможения T*=400 K и P*=10 атм соответственно, при значениях температуры и давления воздуха в пространстве истечения Te=300 K и Pe=0.01 атм соответственно. Результаты исследования проиллюстрированы полями газодинамических параметров и графиками временных зависимостей силы, действующей на тяговую стенку. Показано, что задание вихревого втекания воздуха приводит к силе тяги меньшей, чем при нормальном втекании при прочих равных условиях. Проведено численное исследование зависимости частоты и амплитуды колебаний параметров течения в тяговом устройстве с кольцевым соплом на продуктах сгорания ацетилена в воздухе от условий теплообмена на поверхности тягового устройства на основе уравнений Навье-Стокса для многокомпонентной реагирующей газовой среды. При проведении расчетов использовалась однотемпературная химически неравновесная модель среды, включающая все основные продукты горения стехиометрической смеси ацетилена в воздухе с учетом 6 реакций диссоциации-рекомбинации и 13 обменных реакций. Численное решение уравнений получено методом конечного объема на структурированной криволинейной сетке. Предполагалось, что поверхность тягового модуля химически нейтральна и либо имеет заданную температуру, либо теплоизолирована. По условию запуск работы устройства, первоначально заполненного неподвижным воздухом, происходит внезапно, что приводит к генерации интенсивных нестационарных газодинамических процессов и значительному повышению давления. Во всех вариантах расчета стартовое возмущение вызывает появление незатухающих квазипериодических колебаний, различающихся частотой и амплитудой. Аналогичные режимы получены и в экспериментах на ИАУ НИИ механики МГУ. Для каждого варианта приведены расчетные осциллограммы давления в центре тяговой стенки и силы тяги, а также спектры колебаний давления и силы тяги, полученные методом дискретного преобразования Фурье на интервале времени 0.5 – 2.5 мс. Показано, что использованные модели теплоизолированной стенки приводит к значительному уменьшению амплитуды колебаний давления на тяговой стенке и тяги устройства. Получена оценка влияния типа расчетной сетки на результаты расчетов. Механизм генерации автоколебательных режимов течения в тяговых устройствах с кольцевыми соплами объясняется, по-видимому, взаимодействием пограничного слоя на тяговой стенке со струей газа, истекающей из сопла. В экспериментах получены Фурье-спектры сигналов давления газа на тяговой стенке кольцевого сопла для серии опытов с пульсирующим режимом истечения высокотемпературных продуктов сгорания ацетиленовоздушных смесей. Для обработки массивов экспериментальных данных использовался метод дискретного преобразования Фурье на интервале времени 0.5 2.5 мс. Анализ спектрального состава сигналов давления в указанной серии опытов показал, что в измеренных спектрах присутствует основная доминирующая по амплитуде частота величиной в 22 кгц и одна дополнительная частота в 44 кгц – сателлит, кратная основной частоте, но имеющая меньшее значение амплитуды. Проведено сопоставление измеренных частот с их расчетными значениями, показавшее удовлетворительное соответствие. 1.4. Экспериментальное и расчетное исследование режимов окисления и распространения пламени в смесях углеводородных топлив с воздухом. Экспериментально определены нижние концентрационные пределы распространения (НКПР) пламени в сферической камере сгорания от центра в бинарных и трехкомпонентных горючих смесях газов, содержащих метан, в воздухе. Проведен анализ полученных в опытах значений НКПР на основе правила А. Ле Шателье с тремя альтернативными наборами констант. Установлено, что указанное правило с 16% точностью описывает пределы распространения пламени независимо от выбора констант. Расчетным путем определены интервалы температур режима быстрого окисления метана с механизмом цепного разветвления активных радикалов для различных составов горючих смесей (метан-кислород-азот). Рассмотрены три признака воспламенения метано-кислородной смеси, разбавленной азотом: по уменьшению концентрации метана в смеси, по росту концентрации радикала ОН и по росту концентрации радикала СН3. Установлено, что вычисленные по ним времена индукции воспламенения близки по величине. При выполнении расчетов использовалась оригинальная система кинетических уравнений многокомпонентного химически реагирующего газа, предложенная и апробированная в НИИ механики МГУ. 2. Газодинамика взаимодействия ударных волн с препятствиями и неоднородностями. 2.1. Численное исследование взаимодействия ударных волн с газовыми неоднородностями. Выполнено численное исследование взаимодействия ударной волны с цилиндрическим облаком кварцевой пыли небольшой концентрации в рамках модели равновесной пылегазовой смеси. Проведен анализ преломления падающей ударной волны, формирования и фокусировки поперечных ударных волн. Обнаружены два качественно различных режима взаимодействия – внешний и внутренний, реализующиеся при различных значениях концентрации пыли. Определена зависимость положения пиковой точки фокусировки и относительной интенсивности фокусировки волн от объемной концентрации пыли в облаке в диапазоне от 0.01% до 0.15% (отношение плотностей внутри и снаружи пузыря от 1 до 2.5). Показано, что при повышении концентрации пыли точка фокусировки приближается к границе и смещается внутрь облака, а интенсивность фокусировки существенно возрастает. Выполнено численное исследование взаимодействия ударной волны с продольным полубесконечным плоским слоем или цилиндрическим каналом конечной толщины, заполненным газом пониженной плотности (то есть повышенной температуры). Проведен анализ особенностей эволюции и структуры течения в крупномасштабном газодинамическом предвестнике, формирующемся для нерегулярных режимов взаимодействия. Высокое разрешение расчетной сетки позволило изучить тонкую ударно-волновую структуру высоконапорной струйки, соответствующую механизму взаимодействия скачков Edney IV. Установлена асимптотическая автомодельность течения в предвестнике для больших времен взаимодействия (или, что то же самое, при неограниченном уменьшении толщины канала). Реализована поддержка WENO-схем повышенного порядка аппроксимации (3-го и 5-го) для метода конечных разностей. Выполнено численное исследование для двумерной задачи о взаимодействии ударной волны с цилиндрической областью газа повышенной плотности. Описаны процессы преломления падающей волны, формирования и фокусировки поперечных ударных волн, включая два качественно различных режима взаимодействия – внешний и внутренний – в зависимости от начальной плотности газа в цилиндре. Обнаружено, что при фокусировке поперечных ударных волн на плоскости симметрии образуется три локальных области повышенного давления, одна из которых может находиться как внутри, так и снаружи ударно-деформированного газового цилиндра. Определена зависимость положения и величины пиковых значений давления газа от интенсивности падающей ударной волны и начальной плотности газового цилиндра; показано, что в большинстве случаев наибольшее давление достигается внутри деформированного газового цилиндра. 2.2. Экспериментальное исследование распространения и взаимодействия ударных волн. Проведена модернизация экспериментальной установки «Ударная труба Квадрат» с заменой основного рабочего элемента ударной трубы – импульсного высокоскоростного пневматического клапана – на клапан большего сечения, меньшего времени раскрытия, большего допустимого давления в камере высокого давления и большей долговечности, что обеспечивает большие интенсивности падающей ударной волны и меньшее время формирования падающей ударной волны. Выполнено тестирование установки и предварительные эксперименты по формированию конической отрывной зоны в результате нестационарного взаимодействия ударной волны с осесимметричным пограничным слоем на тонком теле. Выполнено экспериментальное исследование нестационарного процесса формирования конического отрывного течения перед сферой с направленной навстречу потоку иглой при падении ударной волны с числом Маха в интервале 2 – 2,5 в воздухе при начальном давлении перед волной 4 кПа (30 Торр). Выбраны режимы с монотонной перестройкой течения от стадии отражения падающей ударной волны от затупленного тела (сферы) к стадии квази-стационарного осесимметричного сверхзвукового обтекания с отрывом пограничного слоя на игле, инициированного взаимодействием головной ударной волны с тонким осесимметричным пограничным слоем на игле, сформированным в сверхзвуковом потоке за падающей ударной волной. Указанный режим реализуется при длине иглы примерно вдвое превышающей диаметр сферы. Выполнен анализ закономерностей эволюции отхода от сферы точки отрыва пограничного слоя на игле и параметров конической ударной волны над областью отрывного циркуляционного течения. 2.3 Численное исследование режимов отражения в задаче о дифракции ударной волны на клине. Выполнено численное исследование для задачи о дифракции ударной волны на клине (при изменении определяющих параметров – числа Маха падающей ударной волны, угла раствора клина и показателя адиабаты газа), проведено сравнение результатов с экспериментальными данными И.В. Красовской 2012 года и имеющимися в литературе численными данными. Проведены расчеты для маховских конфигураций следующего типа (по классификации И.В. Красовской): отражение фон Неймана, ординарное отражение Маха-Смита, ординарное отражение Маха-Кабанна, ординарное отражение Маха-Уайта, двойное отражение Маха-Кабанна, двойное отражение Маха-Уайта, предельное двойное маховское отражение, тройное отражение Маха-Уайта. При целенаправленном поисковом исследовании режимов дифракции ударной волны на клине в диапазоне определяющих параметров, соответствующих переходным режимам отражения, был обнаружен качественно новый тип «многократного маховского отражения». Режим реализуется для переходного диапазона между различными конфигурациями с «отрицательным» углом отражения падающего скачка. Полученное автомодельное решение расширяет представления о возможных газодинамических конфигурациях для переходных режимов в задаче о дифракции ударной волны на клине, дополняет классификацию И.В. Красовской и объясняет некоторые эффекты, которые наблюдались в экспериментах. 3. Газодинамика сверхзвуковых и трансзвуковых течений. 3.1. Численное исследование столкновения движущихся со сверхзвуковой скоростью тел с газовыми пузырями пониженной и повышенной плотности при различных числах Маха. Обнаружен эффект внезапного скачкообразного увеличения давления и плотности в критической точке тела до значений многократно превышающих значения, рассчитанные из решения задач Римана по одномерной теории. Показано, что эффект объясняется воздействием тонких кумулятивных струй, формирующихся при фокусировке поперечных ударных волн на оси симметрии в результате перестройки течения при взаимодействии головной ударной волны с газовым пузырем. Установлено, что быстропротекающий процесс фокусировки в целом согласуется с известными сценариями фокусировки для взаимодействия плоской ударной волны с газовыми пузырями с учетом некоторой специфики, обусловленной наличием тела. Проведено параметрическое исследование взаимодействия тел с эллипсоидальными газовыми пузырями различной плотности, размера и удлинения. Показано, что для создания наилучших условий для фокусировки поперечных ударных волн, и, соответственно, достижения наибольшей кумуляции размеры пузыря должны быть порядка расстояния отхода головной ударной волны на центральной линии тока, а его форма – близка к сферической. 3.2 Численное исследование сверхзвукового обтекания тел при наличии локализованного энерговклада в набегающем потоке для различных чисел Маха. Сформулирован универсальный критерий подобия для задачи о снижении волнового сопротивления затупленных тел при помощи энерговклада в набегающий поток: интенсивность энерговклада должна быть обратно пропорциональна линейному размеру энергоисточника и прямо пропорциональна числу Маха набегающего потока. Первое условие является прямым следствием анализа размерностей – точным условием подобия для задачи об обтекании энергоисточника сверхзвуковым потоком, которое обеспечивает сохранение параметров температурного следа при изменении размеров энергоисточника. Второе условие является физическим, оно означает, что жидкая частица за время движения через область энерговклада получает при разных скоростях набегающего потока примерно одинаковое количество тепла (чем меньше время пролета, тем выше должна быть интенсивность энерговклада). Показано, что при соблюдении критерия подобия один из основных параметров – коэффициент мощности энерговклада (отношение подведенной мощности к потоку энтальпии через поперечное сечение энергоисточника) остается постоянным. Более того, при различных числах Маха набегающего потока в дальнем следе за областью энерговклада распределения плотности в поперечном направлении совпадают. В соответствии с концепцией «тепловой иглы» при динамическом уменьшении размеров энергоисточника с соблюдением критерия подобия форма передней отрывной зоны изменяется, приближаясь к форме конуса с малым затуплением, но при этом статическое давление в отрывной зоне не изменяется (равно полному давлению на оси симметрии следа), и, соответственно, снижение сопротивления остается постоянным. Показано, что при соблюдении критерия подобия для различных чисел Маха формируются передние отрывные зоны практически одинаковой геометрии и, соответственно, снижение сопротивления также остается примерно одинаковым. Получена и проверена в численных расчетах простая формула для коэффициента эффективности снижения сопротивления (определяется как отношение сэкономленной мощности к вложенной). Показано, что при выполнении критерия подобия коэффициент эффективности пропорционален числу Маха в квадрате и обратно пропорционален линейному размеру области энерговклада в квадрате. В расчетах зафиксировано снижение волнового сопротивления 30%, а коэффициент эффективности при числе Маха 5 превысил 1000 (для сферического энергоисточника радиус которого в 50 раз меньше радиуса сферы). 3.3. Асимптотическое исследование трансзвуковых неклассических пограничных слоев с целью получения данных об устойчивости при различных внешних воздействиях. Проведено исследование трансзвуковых неклассических пограничных слоев для модифицированной трехпалубной модели нестационарного свободного вязко-невязкого взаимодействия для трансзвукового диапазона скоростей. Модификация модели заключается в сохранении в уравнении Линя-Рейсснера-Цяня (ЛРЦ) при его выводе из полных уравнений для потенциала сингулярного члена трансзвукового разложения со второй производной по времени. Модифицированное уравнение является невырожденным гиперболическим и описывает распространение возмущений в поле течения во всех направлениях. Построено дисперсионное соотношение для гармонических возмущений линейного профиля скорости. Получены новые высокочастотные асимптотики дисперсионного соотношения при анализе устойчивости трансзвукового пограничного слоя с самоиндуцированным давлением. Показано, что считавшаяся ранее однозначной зависимость частоты возмущения от волнового числа является исключительным случаем. Для приложений, это означает, в частности, что задача управления пограничным слоем при помощи искусственно наложенных возмущений становится качественно более сложной. 4. Неравновесная физико-химическая газовая динамика и электрогазодинамика. 4.1. Численное исследование процесса сверхзвукового горения в модельном ГПВРД в условиях, соответствующих числу Маха полета 12 с большой длиной задержки воспламенения в камере сгорания, при использовании в качестве топлива водорода. Изучены возможности существенного снижения длины задержки воспламенения и повышения полноты сгорания при использовании локального селективного воздействия на поток с помощью резонансного лазерного излучения с длиной волны 762.3 нм или 193.3 нм, что приводит, соответственно, к возбуждению молекул кислорода в электронные синглетные состояния или к фотодиссоциации молекул кислорода. Возбужденные молекулы непосредственно участвуют в реакциях инициирования и продолжения цепи, а скорости реакций с участием возбужденных молекул возрастают в десятки и сотни раз. Фотодиссоциация позволяет исключить стадию инициирования цепи, что может оказаться эффективным при использовании этого метода для воспламенения водородно-воздушной смеси в условиях малого времени пребывания топливно-воздушной смеси в камере сгорания. Показана энергетическая эффективность такого воздействия на поток. Прирост выделившейся при горении химической энергии в 40-50 раз превышает энергозатраты на лазерное облучение. При этом удается существенно повысить не только полноту сгорания, но и тяговые характеристики устройства. 4.2. Численное исследование влияния двух способов масштабирования кольцевой камеры – одновременно как в окружном, так и в продольном направлении и только ее диаметра при сохранении длины камеры – на существование решения с непрерывно-вращающейся детонационной волной. Расчеты нестационарного течения выполнены с использованием математической модели, основанной на двумерной постановке задачи в рамках системы уравнений Эйлера для многокомпонентной реагирующей смеси газов. Рассматривается пропано-воздушная смесь. Для описания процесса горения применялся редуцированный реакционный механизм, который включает 156 обратимых химических реакций для 27 компонентов. Постановка задачи обусловлена отмечавшейся ранее в ряде публикаций проблемой отбора физически значимых численных решений с определением минимальной окружной длины камеры сгорания, в которой реализуется единственная детонационная волна. Особое внимание было уделено анализу зависимости численного решения от размеров ячейки расчетной сетки. Показано, что в рассмотренной постановке задачи срыв детонационной волны при масштабировании диаметра камеры определяется размером ячейки расчетной сетки в направлении распространения детонационной волны. Способ масштабирования диаметра камеры – одновременное изменение продольного и окружного размера или изменение только окружного размера – не сказывается на данном выводе. Существует критический размер расчетной ячейки в окружном направлении камеры, определяемый используемой кинетической моделью (наряду с упомянутым редуцированным реакционным механизмом рассматривался также широко используемый квазиглобальный механизм). 4.3 Численное исследование воздействия диэлектрического барьерного разряда на газодинамику внутренних и внешних течений. С помощью численного моделирования изучены особенности воздействия диэлектрического барьерного разряда (ДБР) на переход ламинарного течения в турбулентное на плоской пластине при наличии возмущений во внешнем потоке. Распределения плотностей электрической силы и мощности разряда, действующих на газ, предполагались однородными в заданном объеме разряда. Использовалась дифференциальная модель для турбулентной вязкости, значение которой на границе пограничного слоя для моделирования внешних возмущений предполагалось отличным от нуля. Выполнено экспериментальное исследование диэлектрического барьерного разряда в модельном лопаточном канале. Был спроектирован и изготовлен аэродинамический лопаточный стенд для моделирования обтекания лопаточных решеток с применением активного управления пристеночными течениями. Изготовлены лопатки для детального изучения пульсирующего вдува воздуха, синтетических струй и ДБР. Определено влияние разряда на уровень потерь полного давления в канале. Выполнено расчетное исследование течения в межлопаточном канале при воздействии ДБР в условиях испытательного стенда. Определено оптимальное место установки актуатора относительно отрывной зоны.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".