Исследование волнового сопротивления плоского канала с рельефной структурой поверхности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.05, кандидат технических наук Квон Мин Чан

• Квон Мин Чан
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Квон Мин Чан

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ИНФОРМАЦИИ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ОБТЕКАНИЯ ГАЗОМ РЕЛЬЕФНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕ

ДОВНИЯ.

Постановка задачи.

ГЛАВА 2. ВОЛНОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ РЕЛЬЕФНЫХ ПЛАСТИН ПРИ ПЛОСКОМ СВЕРХЗВУКОВОМ ОБТЕКАНИИ.

2.1. Общая постановка линеаризованных краевых задач стационарного сверхзвукового обтекания рельефных пластин при наличии наветренных кромок.

2.2. Точное решение линеаризованной задачи плоского стационарного сверхзвукового обтекания пластины с произвольным плоским рельефом шиферного типа.

2.3 Точное решение линеаризованной краевой задачи для стационарного сверхзвукового течения в плоском канале между двумя параллельными стенками с произвольными линейчатыми рельефами.

2.3.1. Общее решение линеаризованной системы.

2.3.2. «Разрывные» характеристики как линеаризованной модели слабых-скачков уплотнения и вееров разрежения.

2.3.3. Метод решения краевой задачи.

2.3.4. Обсуждение результатов.

2.4 Эффекты интерференции волн давления и резонанс волнового сопротивления.:.

Вывод по главе 2. i.

ГЛАВА 3. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЗОНАНСА ВОЛНОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПЛОСКОГО КАНАЛА С РЕЛЬЕФНЫМИ СТЕНКАМИ ШИФЕРНОГО ТИПА.

3.1. Теоретическое обоснование постановки вычислительных эксперимен

3.2. Расчет течения газа в плоском канале с рельефными стенками.

3.3. Расчет потерь тяги в плоском высотном насадке соплового блока с рельефной поверхностью.

Вывод по главе 3.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ПОДТВЕРЖДЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ РЕЗОНАНСА ВОЛНОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ СТЕНКИ ПЛОСКОГО КАНАЛА С

РЕЛЬЕФОМ ШИФЕРНОГО ТИПА.

4.1. Модернизация экспериментальных стендов.

4.1.1. Дифференциальная установка.

4.2. Газодинамический стенд.

4.3. Экспериментальное исследование волнового сопротивления рельефной стенки плоского канала при интерференции волн давления.

4.4. Анализ результатов вычислительных и экспериментальных исследований.

Вывод по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование волнового сопротивления плоского канала с рельефной структурой поверхности»

Как известно, сопло двигателя 1-ой ступени из-за фиксированной геометрической степени расширения большую часть траектории полета работает на нерасчетных режимах (в разреженной атмосфере), в результате чего оно имеет на высоте существенные потери тяги из-за недорасширения газа (не хватает стенки сопла).

С целью повышения среднего по активной траектории полета удельного импульса двигательной установки, состоящей из двух и более двигателей 1-ой ступени, можно оснастить их сопла общим плоским высотным насадком.

Предполагается, что при такой конструкции сопловой блок двигательной установки одинаково хорошо будет работать как вблизи Земли (в плотных слоях атмосферы) за счет принудительного отрыва потока от срезов круглых сопел (высотный насадок как бы отключен), так и на высоте (в разреженной атмосфере) за счет включения в работу плоского высотного насадка.

С целью уменьшения массы плоский высотный насадок можно выполнить неохлаждаемым и изготовить из композиционного материала. При работе на высоте такого соплового блока может произойти унос массы с поверхности насадка, в результате чего может образоваться на его поверхности рельефная структура в виде выступов- и впадин. При сверхзвуковом обтекании потоком такой рельефной поверхности возникнет волновое сопротивление, что вызовет дополнительные потери тяги. Упорядоченная рельефная поверхность может образоваться не только в реактивных соплах ЖРД и РДТТ, но и на головных частях ракет, в камерах сгорания ГПВРД и других элементах летательных аппаратов [1-22]. Поэтому они были объектом многих исследований, которые выполнялись как за рубежом, так и в России.

За рубежом возникновение ромбической рельефной структуры на поверхности аблирующих конусов исследовали Вильяме, Ингер, Шток, Лаганелли, То-бак, Хаген, Кубота и другие [1-22].

В России рельефные структуры на стенках сопел с теплозащитным покрытием, которые возникали при их огневых стендовых испытаниях, обнаружили и детально исследовали Грязнов В.П. и Сергиенко А.А в Центре им. М.В. Келдыша. В МАИ Семенов В.В. выполнил систематические экспериментальные и теоретические исследования волновых сопротивлений плоских и осесиммет-ричных сверхзвуковых насадков с двоякопериодическими рельефами стенок, а также аналогичных пластин. Он обнаружил существование нескольких кризисов обтекания рельефных поверхностей, в результате которых резко увеличиваются волновые потери, а также выявил, что наступление кризиса течения зависит не только от скорости потока - числа Маха, но и от отношения длин волн двоякопериодического рельефа стенки [29, 34].

В настоящее время строгая нелинейная теория обтекания рельефных стенок и их волнового сопротивления отсутствует. Поэтому все без исключения теоретические результаты по волновому сопротивлению рельефных стенок получены в рамках акустического приближения [27], т. е. с помощью приближенных моделей обтекания, в которых используются точные решения краевых задач, но для. линеаризованных уравнений газовой динамики с линеаризованными граничными условиями [1,11,12,14,18, 20,21,25-28,30,31, 44]. При этом, однако, большинство из указанных теоретических результатов относятся к частному случаю сверхзвукового обтекания бесконечных пластин с периодическими или двоякопериодическими рельефами [25-28,30,31,44].

При обтекании реальных рельефных пластин, в, отличие от бесконечных, всегда имеются наветренные кромки, вблизи которых возмущенные поля давления заведомо отличаются от тех, которые описываются вышеупомянутыми формулами [25-28,30,31,44]. Поэтому все они должны быть, модифицированы с учетом зависимости локальных коэффициентов волнового сопротивления от расстояния до наветренной кромки

Прямые методы измерения волновых сопротивлений практически отсутствуют. Тем не менее, силу волнового сопротивления можно определить, измерив на дифференциальной установке разность тяг двух сравниваемых сопел с насадками, один из которых имеет рельефные стенки [29].

Вследствие небольших размеров экспериментальных моделей измеряемая на дифференциальной установке разность тяг двух сравниваемых сопел с насадками, имеющими рельефные стенки, составляет малую величину — несколько сот граммов. Поэтому для повышения точности измерений разности тяг необходима модернизация существующей дифференциальной установки.

Для правильного понимания и объяснения закономерностей и механизмов возникновения волнового сопротивления необходима исчерпывающая информация о локальной структуре течения, как вблизи рельефных стенок, так и вдали от них. Указанную информацию можно получить либо с помощью CFD-моделирования, либо с помощью экспериментальных методов визуализации путем проведения испытаний на газодинамическом стенде с теневым прибором ИАБ-451 и системой автоматического сбора и обработке информации по распределению давления в поле течения.

Целью диссертационной работы является комплексное исследование сверхзвукового обтекания рельефных пластин, а также сверхзвуковых течений в плоских каналах с рельефными стенками с использованием теоретических, экспериментальных и численных методов.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и выводов.

Заключение диссертации по теме «Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов», Квон Мин Чан

Основные выводы

1. Разработан метод расчета сверхзвукового течения потока газа в плоском канале с произвольной формой рельефа стенок шиферного типа. На частном примере сверхзвукового обтекания потоком газа синусоидального рельефа стенки плоского насадка с длиной в одну отраженную волну найден коэффициент волнового его сопротивления. Выявлено, что в плоском канале с симметричным расположением выступов, когда вершины выступов обеих стенок расположены напротив друг друга, при четном волновом числе т достигается максимум волнового сопротивления, а при нечетном - минимум. В плоском канале с асимметричным расположением выступов, когда каждая вершина выступа одной стенки расположена напротив дна впадины другой стенки, при четном волновом числе т достигается минимум волнового сопротивления, а при нечетном - максимум.

2. Предсказано теоретически и подтверждено экспериментально существование у плоских каналов с рельефными стенками резонанса волнового сопротивления. Установлено, что резонанс наступает при длине волны рельефа стенки, равной Л, а длина канала L и расстояние между его стенками h удовлетворяют уравнениям: L = 2кл1м2 -1, L = тк, где М — число Маха, а т — натуральное волновое число, при котором достигается либо минимум волнового сопротивления, равный нулю, либо максимум, который в два раза превышает сумму волновых сопротивлений обеих рельефных стенок, в случае обтекания каждой в отдельности.

3. Получено в аналитическом виде с помощью метода Даламбера строгое решение линеаризованной краевой задачи о плоском сверхзвуковом обтекании потоком газа пластины, имеющей произвольный двумерный рельеф шиферного типа с конечным числом волн на её поверхности.

4. Проведены вычислительные и экспериментальные исследования сверхзвуковых течений в плоских насадках прямоугольного сечения с рельефными стенками шиферного типа с пилообразным контуром. Достигнуто удовлетворительное согласование результатов численного расчета разности тяг сопел с плоскими насадками с экспериментальными данными (значение разности максимального волнового сопротивления между насадками с симметричным и асимметричным расположениями выступов на стенках, рассчитанное с помощью CFD-программы «FLUENT», отличается от эксперимента на 2,77%). Достигнуто удовлетворительное согласование рассчитанных полей течения газа в канале с рельефными стенками с фотографиями, полученными во время испытаний модели на стенде с помощью теневого прибора ИАБ-451.

5. Выполнено с помощью CFD-программы «FLUENT» численное исследование влияния вязкости на волновое сопротивление плоских насадков с рельефными стенками. Установлено, что величина максимального волнового сопротивления насадка с рельефными стенками, рассчитанное с помощью данной программы, отличается от значения, предсказанного линеаризованной теорией, на 5 %.

6. Предложен и апробирован новый способ проведения сравнительных испытаний двух реактивных сопел на дифференциальной установке. Новизна способа подтверждена патентом РФ на полезную модель № 55983 от 2006 г.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Квон Мин Чан, 2009 год

1. Свигарт Р. Дж. Критический обзор исследований рельефной поверхностной структуры // Изв. Вузов. Ракетная техника и космонавтика 1974. № 10.

2. Lipfert, F, and Genovese, J. An Experimental Study of the Boundary Layers on Low-Temperature Subliming Ablators //Al AA Journal. № 7. 1971.

3. Вильяме Экспериментальное исследование структуры аблирующей поверхности и моментов по крену, возникающих при абляции // Изв. Вузов. Ракетная техника и космонавтика. 1971. том 9. № 7.

4. Canning, Т. N., Wilkins, М. Е., and Tauber, М. Е. Boundary-Layer Phenomena Observed on the Ablated Surfaces of Cones Recovered after Flight at Speeds up to 7 km/sec //AGARD Proceedings No. 19, May 1967,

5. Canning, T. N., Wilkins, M. E ., and Tauber, M. E. Ablation Patterns on Cones having Laminar and Turbulent Flows // AIAA Journal, Vol. 6, No. 1, Jan. 1968, pp. 174-177.

6. Larson. H. K. and Mateer, G. G. Cross Hatching -A Coupling of Gas Dynamics with the Ablation Process // AIAA Journal. 1968. Paper 68-670

7. Лаганелли и Нестлер Рельефные узоры на поверхности аблирующих теплозащитных материалов // Изв. Вузов. Ракетная техника и космонавтика, 1969. №7.

8. Laganelli, A. L. and Zempel, R. Е. Observation of Surface Ablation Patterns in Subliming Materials //AIAA Journal Vol. 8 No. 9. Sept. 1970.

9. Тобак M. Гипотеза о происхождении рельефной поверхностной структуры. //Изв. Вузов. Ракетная техника и космонавтика. 1970. № 2.

10. Шток и Жину Результаты экспериментальных исследований ромбовидных рельефных узоров теплозащитных материалов //Изв. Вузов. Ракетная техника и космонавтикаЛ971. том 9. .№.5,.:. . . .

11. Lew, II. and Li, Н. The Analysis of the Transmission of Pressure Disturbances in the Formation of Surface Patterns // Sec. 7. RV'I 0 Roll Phenomenology Final Report. Document 6RSD809. July 1968. General Electric Co. Philadelphia. Pa.

12. Нахтсгейм Рельефная поверхностная структура при абляции тефлона // Изв. Вузов. Ракетная техника и космонавтика. 1971. №8.

13. Lees, L. Kubota, Т., and Ко, D. R.-S. Stability Theory for Cross Hatching, Part 1, Linear Stability Theory // SAMSO TR 72-34. Vol. 1. California Institute of Technology. Pasadena. Calif. Feb. 1972.

14. Голд и Пробстин Неупругая деформация и рельефная поверхностная структура // Изв. Вузов. Ракетная техника и космонавтика. 1971. № 10.

15. Вильяме и Ингер Рельефная ромбовидная структура на поверхности аб-лирующих конусов в гиперзвуковом потоке // Изв. Вузов. Ракетная техника и Космонавтика. 1971. № 10.

16. Нахстгейм и Хаген Наблюдения сетки волн в жидких пленках // Изв. Вузов. Ракетная техника и космонавтика. 1972. № 12.

17. Голд и Пробстин Рельефные узоры явление, связанное с деформацией материала // Изв. Вузов. Ракетная техника и космонавтика. 1970. № 2.

18. Ингер Трехмерные возмущения высокоскоростных потоков при тепло- и массообмене // Изв. Вузов. Ракетная техника и космонавтика. 1972. № 12.

19. Ингер Разрывное сверхзвуковое течение около разрушающейся» волнистой стенки // Изв. Вузов. Ракетная техника и космонавтика. 1969. № 4.

20. Шток Влияние неупругости аблирующего материала на ромбовидную штриховку // Изв. Вузов. Ракетная техника и космонавтика. 1972. № 7.

21. Шток Структура поверхности сублимирующих и плавящихся аблирую-щих материалов // Изв. Вузов. Ракетная техника и космонавтика. 1975. № 9.

22. Вольмер А.С. Оболочки в потоке жидкости и газа, в кн: Задачи аэроупругости. М.: Наука. 1976: С. 416.

23. Ильюшин А.А. Закон плоских течений в аэродинмике больших сверхзвуковых скоростей //ПММ. томХ. вып. 6: 1956. С. 733-755.

24. Бисилингофф-Р.Л. и др. Аэроупругость. М.: ИИЛ. 1958. С.799.

25. Грязнов В.П., Сергиенко А.А. Обтекание волнистой колеблющейся пластинки потоком газа с плоскими волнами //НТО № 641. НИИТП. 1986.

26. Диткин В.В., Орлов Б.А., Пшеничников Г.И., Сергиенко А.А. О флаттереконических оболочек. Численные методы в механике твердого деформируемого тела. ВЦ АН СССР. Москва. 1987.

27. Блохинцев Д.И. Акустика неоднородной движущейся среды. Издание второе. М.: Наука. 1981. С. 296.

28. Сергиенко А.А. Колебания пологих оболочек в сверхзвуковом потоке идеального газа // Изв. Вузов. Авиационная техника. № 4. 1990.

29. Сергиенко А. Теория панельного флаттера // Изв. Вузов. Авиационная техника. №3. 1993.

30. Семенов В.В., Талалаев А.А. Исследование волновых потерь тяги на дифференциальной установке // Изв. Вузов. Авиационная техника. №3. 1993.

31. Семенов В.В. Волновое сопротивление обтекаемых волнистых поверхностей реактивного сопла и летательного аппарата // Изв. Вузов. Авиационная техника. №4. 2000.

32. Семенов В.В., Сергиенко А.А. Тяговое усилие поверхности сверхзвукового сопла с шахматной рельефной структурой // Вестник МАИ. т. 7. № 2. 2000 г.

33. Семенов В.В, Сергиенко А.А . Волновое сопротивление рельефной поверхности головной части летательного аппарата // Электронный журнал Труды МАИ. № 1. 2000. (http:/www.mai.ru).

34. Семенов В.В. Тяговые характеристики реактивных сопел с регулируемой высотностью. Докторская диссертация. Москва. МАИ. 2001.

35. Семенов В.В., Волков В.А., Квон Мин Чан. Точное решение линеаризованной задачи*сверхзвукового обтекания плоского рельефа // Вестник МАИ. Т. 13. № 2. 2006.

36. Семенов В.В., Волков В.А-., Квон Мин Чан. Волновое сопротивление рельефных стенок при сверхзвуковом течении в плоском канале // Изв. Вузов. Авиационная.техника1. № 2. 2007.

37. Квон Мин Чан, Волков В.А., Семенов В.В. Pressure wave interference under supersonic flow in flat channel with walls // Международная конференция ISSW 26th. Гёттинген. Германия. 2007.

38. Семенов В.В., Волков В.А., Квон Мин Чан. Резонанс волнового сопротивления плоских каналов с рельефными стенками // XVI международная конференция по вычислительной механике, г. Алушта. Украина. 2009.

39. Шустов И. Г., Двигатели 1944-2000: Авиационные, Ракетные, Морские, Промышленные: Иллюстрированный справочник. АЭРОСФЕРА. 2000.

40. Морс Ф.Н., Фешбах Г. Методы теоретической физики. М.: Изд-во Иностранная литература. 1960 .т. 1,2.

41. Абрамовия Г.Н. Прикладная газовая динамика. М.: Наука. 1976.

42. Стернин JI.E. Основы газовой динамики. МАИ. 1995.

43. Седов А.И. Механика сплошной среды. Том 1. М.: Наука. 1973 .

44. Черный Г.Г. Газовая динамика. М.: Наука. 1988 .

45. Годунов С.К. Уравнения математической физики. М.: Наука. 1971.

46. Семенов В.В., Талалаев А.А., Квон Мин Чан. Дифференциальная установка. Патент на полезную модель № 55983, 2006.

47. Кудрявцев В.М., Курпатенков В.Д. и др. Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. М.: Высшая школа. 1993. С.383.

48. Иров Ю.Д и др. Газодинамические функции, т. 1-2. М.: Маш-ние. 1965.

49. Зайдель А.Н. Ошибки измерений физических величин. М.: Наука. 1974.

50. Чуян Р.К., Обухов В.А. Модели идентификации двигателей летательных аппаратов. Учебное пособие. МАИ. 1980.