Влияние геометрии канала на параметры импульсного недорасширенного потока тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат физико-математических наук Чижиков, Александр Сергеевич

• Чижиков, Александр Сергеевич
• кандидат физико-математических наук
• 2006

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние геометрии канала на параметры импульсного недорасширенного потока»

Развитие исследованиййных течений с самого начала неразрывно было связано с необходимостью решения прикладных задач реактивной авиации и космической техники. Широта и актуальность которых и по сей день являются реальным движителем многих областей науки и техники. Отчасти это и определило факт, что подавляющее большинство работ того времени посвящено исключительно сверхзвуковым режимам.

Значительные достижения 60-70 гг. прошлого века в этой области позволили постепенно сместить центр внимания с задач, связанных с авиационной и космической техникой, в сторону более частных, таких как получение стали в конверторах, струйно-плазменные процессы обработки материалов и плазменное напыление, задачи создания мощных газодинамических генераторов звука и высоких температур, струйного бурения грунта, интенсификации технологических процессов в химической промышленности и т.д. Что позволило значительно расширить область применения полученных ранее результатов.

К середине 80-х годов исследования газодинамики сверхзвуковых струй (в первую очередь, стационарных) достигли стадии, когда уже стали возможны первые обобщения [1, 2]. Однако при решении многих практических задач необходимо не только иметь информацию о параметрах потока и его воздействии на тот или иной объект, но и знать также как управлять этим воздействием. И с этого момента в газовой динамике струйных течений происходит оформление целого научного направления, которое можно обозначить как управление структурой потока. В большинстве случаев с подобной ситуацией приходится сталкиваться в областях где уже сформировались соответствующие представления и следующим шагом является поиск путей управления тем или иным параметром.

В импульсных струйных течениях расширения можно выделить два близких по газодинамической структуре класса явлений, которые отличаются друг от друга начальными условиями. В первом случае истечение происходит из сосуда высокого давления при внезапно открывающемся отверстии. Если давление в сосуде выше критического, то в отверстии устанавливается постоянная скорость истечения, равная местной скорости звука и не зависящая от перепада давлений. Скорость истечения на нестационарной стадии больше. Фронтом возмущения окружающей среды является ударная волна, а в истекающем газе возникают вихревые структуры и скачки уплотнения. Во втором случае поток создается ударной волной, выходящей из канала. Скорость потока за ней зависит от числа Маха инициирующей ударной волны. Если реализуется дозвуковой режим, то поток внутри канала, за счёт проникновения волн разрежения, ещё дополнительно ускоряется.

С ударными волнами приходится сталкиваться не только в сложных технических устройствах, но и в повседневной жизни [3], например, при работе автомобильного двигателя или сходе снежной лавины. В природе и технике существует целый ряд нестационарных газодинамических явлений, имеющих общую природу. Это и извержение вулкана, и запуск ракетного двигателя, и истечение испарившегося вещества при воздействии излучения импульсного лазера на твердое тело, и выхлоп при выстреле, и струйные выбросы из различных астрофизических объектов. Все они имеют общий физический механизм и пока мало изучены.

Темой диссертации является исследование изменения геометрии канала как способа управлением структурой потока за инициирующей ударной волной. Рассматривается случай дифракции ударной волны на угле 90° из каналов с различной формой поперечного сечения, но постоянной геометрии.

И хотя хорошо известно, что для недорасширенных потоков геометрия канала является одним из определяющих параметров истекающего газа, поиск режимов, при которых реализуется то или иное распределение параметров в потоке, по-прежнему представляет одну из актуальных задач газодинамики процессов истечения.

В настоящее время, в частности, не решены вопросы: как зависит время ускорения газа в канале, при дозвуковом истечении, в случае проникновения волн разрежения от числа Маха инициирующей ударной волны; как влияет перераспределение энергии в потоке газа при частичном отражении ударной волны от стенки, ослабленной отверстием, на распределение параметров в свободной струе и при взаимодействии с преградой; к каким изменениям в структуре течения приводит простая смена формы поперечного сечения канала, например, осесимметричного на квадратный, хотя и равной площади.

Последние два вопроса напрямую связаны с анализом потерь полного давления в импульсном потоке, это имеет большое значение для управления этими потерями. В некоторых случаях эти потери нужно уменьшать, когда требуется увеличить, например, воздействие на поверхность или дальнобойность струи. А в некоторых увеличивать, как, например, в шумопоглощающих устройствах.

Нестационарные струйные течения представляют собой сложные явления, уровень понимания которых в настоящее время отстает от потребностей современной техники, что препятствует дальнейшему развитию прикладных исследований.

Работа посвящена как вопросам взаимодействия недорасширенного потока с плоской безграничной преградой, так и некоторым вопросам формирования структуры свободной струи. Причиной такого подхода является ситуация, что в большинстве случаев невозможно представить взаимодействие с преградой, не зная тех закономерностей, которым подчинена свободная струя. Область же исследованных режимов соответствует как дозвуковому, так и сверхзвуковому течению газа за ударной волной.

Экспериментальные данные получены на лабораторной установке ударная труба, а численные - при решении нестационарных уравнений сжимаемого газа в форме Эйлера методом Годунова второго порядка точности.

Общий методологический подход, принятый за основу исследования в настоящей работе, представлен на рис. 1.

Рис. 1. Принципиальная схема исследования

Особое внимание в работе уделено определению длительности процесса истечения. Поскольку, использование в качестве инструмента лабораторного исследования ударной трубы неизбежно диктует необходимость четкой идентификации рабочего времени эксперимента.

Результаты настоящей диссертации послужили материалом 7 статей в реферируемых отечественных журналах и обсуждались на 14 конференциях (как российских, так и международных).

Основные из них:

XXVI/XXIX академические чтения по космонавтике. Москва, 2002/05;

XIX/XX Международный семинар по струйным отрывным и нестационарным течениям. Санкт-Петербург, 2002/04;

10th International Symposium on Flow Visualization (ISFV10). Kyoto, Japan, August 26-29, 2002;

23th International Symposium on Shock Waves. Hosted by The University of Texas at Arlington. July 22-27, 2001;

24th International Symposium on Shock Waves. Beijing, China, July 1116, 2004.

Содержание

Введение . 2

Обозначения . 5

Заключение диссертации по теме «Теплофизика и теоретическая теплотехника», Чижиков, Александр Сергеевич

Выводы

1. При дифракции ударной волны на угле 90° в случае осесиметричного канала в области дозвуковых чисел Маха потока тип отражения является нормальным и сохраняет автомодельный характер. При больших числах Маха автомодельность нарушается, тип отражения зависит от времени.

2. При выходе ударной волны из канала квадратного сечения имеет место ярко выраженная неоднородность, как дифрагированной волны, так и потока в целом. Область более сильного разрежения - диагональ квадрата. В осесимметричном случае угол отрыва потока занимает промежуточное положение по отношению к углам отрыва в направлении стороны и диагонали квадрата и наибольший угол отрыва соответствует выходу ударной волны из канала квадратного сечения в направлении стороны.

3. Исследована траектория фронта волны торможения в импульсном потоке для канала квадратного сечения в диапазоне изменения числа Маха стартовой ударной волны 2 + 4 вплоть до выхода на стационарное положение центрального скачка. На нестационарной стадии обнаружено превышение фронтом волны своего стационарного положения. Предложена аппроксимационная зависимость гД/= 0.625-Мд53 (г - осевой размер, - эквивалентный по площади диаметр круга). Сравнение положений центрального скачка уплотнения в осесимметричных и квадратных струях (из условия равенства в эффективных калибрах) показало их практическую идентичность.

4. Обнаружен режим, при котором в случае сверхзвукового истечения из канала квадратного сечения центральный скачок отсутствует - это Д,<1.3, л»1 + 10.

5. При исследовании начальной стадии взаимодействия импульсного сверхзвукового недорасширенного потока за ударной волной при истечении из насадков постоянной геометрии круглой и квадратной формы с плоской преградой эксперименты и расчеты показали, что воздействие приосевой области течения определяется потерями полного давления в волне торможения перед преградой. На расстоянии от среза канала меньшем, чем положение диска Маха в стационарной струе, зависимости полного давления на преграде от числа Маха падающей ударной волны при истечении из канала с круглой и квадратной формами поперечного сечения близки между собой. Полное давление за волной торможения на преграде на большем расстоянии от плоскости среза насадка при истечении из круглого канала больше, чем при истечении из квадратного. Это связано с тем, что в первом случае число Маха потока перед волной торможения меньше, чем во втором. С увеличением числа Маха падающей ударной волны коэффициент восстановления полного давления при истечении из канала с квадратной формой поперечного сечения уменьшается, а при истечении из канала с круглой формой поперечного сечения увеличивается. Различия при истечении из каналов с круглой и квадратной формой поперечного сечения наибольшим образом проявляются при расположении преграды между центральным скачком и концом первой 'бочки' свободной струи и с уменьшением (увеличением) расстояния сглаживаются.

6. Совпадение временных пиков на осциллограммах изменения давления при выходе ударных волн из каналов круглого и квадратного сечений подтвервдает справедливость сравнения потоков с различной геометрией каналов из условия равенства расстояний до преграды в эффективных калибрах.

7. Сравнение интегральных характеристик в случае каналов круглой и квадратной формы показало их идентичность.

8. Сравнение интегральных характеристик в случае каналов квадратной и ' х' - образной формы, как функции отношения сторон, показало, увеличение отношения сторон канала в области ядра потока приводит к усилению воздействия на преграду, но при любом отношении сторон выполняется и закон сохранения импульса.

Заключение

1. Предложена и апробирована методика для расчёта рабочего времени процесса (в дополнение к условию существования ударной волны и квазистационарной области газа за ней) в случае выхода ударной волны из канала расположенного в торце ударной трубы.

2. Впервые исследована динамика процесса ускорения дозвукового течения газа при выходе ударной волны из осесимметричного канала. Определена не только граница по числу Маха потока или инициирующей ударной волны, ниже которой дозвуковой поток в плоскости среза канала не может ускориться до скорости звука, а получена параметрическая зависимость для времени ускорения потока за счёт проникновения волн разрежения.

3. Установлено влияние частичного перекрытия выхода из осесимметричного канала постоянной геометрии на воздействие на преграду выходящей из него ударной волны. Получены экспериментальные зависимости динамического воздействия ударных волн на преграду, определяющие порог комбинации чисел Маха ударной волны, степени перекрытия и расстояния до преграды для увеличения (уменьшения) импульса давления на ней. Впервые выполнено исследование распределения параметров по радиусу. Обнаружено, частичное экранирование выхода из канала приводит к увеличению давления в области ядра потока при выходе слабой ударной волны (М0«1т-1.7) и к уменьшению давления на преграду при выходе из канала сильной ударной волны {М0>1.1). Область проявления эффекта частичного перекрытия на преграде быстро сокращаётся с увеличением радиуса и не превышает диаметра канала. Истечение дозвукового потока газа из частично перекрытого канала, как в случае свободной струи, так и при взаимодействии с преградой, носит пульсационный характер. Амплитуда пульсационной составляющей при взаимодействии с преградой может составлять величину, превышающую давление невозмущённой среды в 3-М раза.

4. Получены экспериментальные зависимости динамического воздействия ударных волн на преграду для осесимметричного канала в диапазоне изменения числа Маха ударной волны 1-5-5.

5. Показано, что сила действия потока за ударной волной, вышедшей из канала квадратного сечения, мало отличается от случая канала круглого сечения.

6. При истечении из канала крестообразной формы сила действия в области ядра потока при дозвуковых режимах течения газа за ударной волной меньше, а при сверхзвуковых - больше, чем в случае эквивалентного осесимметричного или квадратного канала. Это связано как с диссипацией энергии при интерференции волн разрежения и сжатия, так и с потерями полного давления на скачках уплотнения в нестационарном потоке и увеличением энтропии. Сравнение интегральных характеристик в случае каналов квадратной и * х' - образной формы, как функции отношения сторон, при сверхзвуковых числах Маха потока показало, увеличение отношения сторон канала приводит к усилению воздействия на преграду только в области ядра потока, закон сохранения импульса выполняется при любом отношении сторон.

7. Установленные закономерности открывают возможность управления полным давлением в потоке при выходе ударной волны из канала путем частичного перекрытия или изменения формы его поперечного сечения. На основе полученных результатов могут быть развиты пути управления" дальнобойностью струи, импульсом воздействия ударных волн на преграды применительно к ряду практических приложений, таких, как меры безопасности при взрывах в шахтах и домах, при разрыве трубопроводов, емкостей под давлением, очистка поверхностей ударными волнами, улучшение смешения при сверхзвуковом горении и для детонации в частотном режиме, при проектировании воздухозаборников, аппаратов струйных технологий и других технических объектов, а также при разработке устройств для уменьшения акустического воздействия выхлопных газов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Чижиков, Александр Сергеевич, 2006 год

1. В.Г. Дулов, Г. А. Лукьянов. Газодинамика процессов истечения. Нов.: Наука, 1984.

2. Авдуевский B.C., Ашратов Э.А., Иванов А.В., Пирумов У.Г. Сверхзвуковые неизобарические струи газа. М.: Машиностроение, 1985.

3. Гласс И.И. Ударные волны и человек. М.: Мир, 1977.

4. V. Golub, Yu. Polejaev. Jets. In: International Encyclopedia of HEAT & MASS TRANSFER. Edited by G.F. Hewitt, G.L. Shires, Y.V. Polezhaev. CRC Press, Boca Raton, New York, 1997, pp. 646-649.

5. Г.Н. Абрамович. Теория турбулентных струй. М., Физматгиз, I960.

6. С. А. Чаплыгин. О газовыхъ струяхъ. Ученыя записки императорскаго московского университета. Вып. 21, 1904.

7. B.C. Авдуевский, А.В. Иванов, И.М. Карпман, В.Д. Трасковский, М.Я. Юделович. Влияние вязкости на течение в начальном участке сильно недорасширенной струи. Докл. АН СССР, 1971, т. 197, №1, с. 46-49.

8. Л.И. Кузнецов, А. К. Ребров, В.Н. Ярыгин. Высокотемпературные струи аргона низкой плотности за звуковым соплом. ПМТФ, №3, 1975, с. 82-87.

9. В.А. Иванов, Г.А. Лукьянов, И.В. Шаталов Влияние разреженности и температурного фактора на структуру и параметры сверхзвуковых недорасширенных струй одноатомного газа. ПМТФ, №6, 1987, с. 62-67.

10. V.V. Golub. Development of shock wave and vortex structures in unsteady jets. Shock Waves, N3, 1994, pp. 279-285.

11. Станюкович К.П. Неустановившееся движение сплошной среды. М.: Наука, 1971.

12. Филатов В.В. Определение структуры сверхзвуковой перерасширенной газовой струи на начальном участке. В кн.: Гидромеханика и теория упругости. Вып. 13. Днепропетровск: Днепропетровск, гос. ун-т, 1971, с. 3-11.

13. М. Ван-Дайк (Milton Van Dyke). Альбом течений жидкости и газа. М. : Мир, 1986.

14. J. Panda, R.G. Seasholtz. Measurement of shock structure and shock-vortex interaction in underexpanded jets using Rayleigh scattering. Physics of fluids, vol. 11, N12, 1999.

15. Жуков А. И. Применение метода характеристик к численному решению одномерных задач газовой динамики. Труды МИАН, 1960, 58.

16. Я. Ashkenas and F.S. Sherman, in Rarefied Gas Dynamics, edited by J.H. deLeeuw (Academic, New York, 1966), vol. 2, p. 84.

17. Жохов B.A., Хомутовский А.А. Атлас сверхзвуковых течений свободно расширяющегося идеального газа, истекающего из осесимметричного сопла. Труды ЦАГИ, 1970, вып. 1224.

18. Robertson S.J., Willis D.R. Metod-of-characteristics solution of rarefied, monatomic gaseous jet expansion into a vacuum. AIAA J., 1971, vol. 9, N 2, p. 291-296.

19. Черкез А.Я. Об одномерной теории нерасчётной сверхзвуковой струи газа. Изв. АН СССР, ОТН, №5, 1962.

20. Годунов С. К. Разностный метод численного расчёта разрывных решений уравнений гидродинамики. Математический сборник, 1959, т. 47(89), №3, с. 271-306.

21. Иванов М.Я., Крайко А.Н. Метод сквозного счёта для двумерных и пространственных сверхзвуковых течений. Журн. выч. мат. и мат. физики, 1972, т. 12, №3, с. 780-784.

22. Головачёв Ю.П., Колешко С.Б. Численные методы решения уравнений динамики жидкости и газа. 1988, 126 с.

23. Андерсон Д., Таннехилл Дж., Плетчер Я. Вычислительная гидромеханика и теплообмен. М.: Мир, 1990.

24. Г.Н. Абрамович. Прикладная газовая динамика. В 2 ч. 4.1. М. : Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1991.

25. Abbett И. The Mach disc in underexpanded exhaust plumes. AIAA Paper, 1970, №70 231.

26. Abdelhamid A.N., Dosanjh D.S. Mach disk and riman wave in underexpanded jet flows. AIAA Paper, 1969, N69 665.

27. T.B. Баженова, С.Б. Базаров, О.В. Булат, В.В. Голуб, A.M. Шульмейстер. Экспериментальное и численное исследование ослабления ударных волн при выходе из плоского и осесимметричного каналов. Механика жидкости и газа, №4, 1993. С. 204-207.

28. В.Е. Фортов, Ю.С. Соломонов, В.В. Голуб, Т.В. Баженова, Т.А. Бормотова, В. В. Володин, В. П. Ефремов, А. А. Макеич, С. Б. Щербак. Выход ударной волны в ограниченное пространство. ДАН, 2002, т. 387, №4, с. 1-3.

29. Owen, P.L., and Thornhill, С.К. The Flow in an Axially-Symmetric Supersonic Jet from a Nearly Sonic Orifice into a Vacuum. Brit., A.R.C. Technical Report, R and M 2616, 1952.

30. Love, Eugene S., and Grigsby, Carl E. Some Studies of Axisymmetric Free Jets Exhausting from Sonic and Supersonic Nozzles into Still Air and into Supersonic Streams. NACA, RML54L31, 1955.

31. Love, E.S., Grigsby, C.E., Lee L.P. Experimental and theoretical studies of axisymmetric free jets. NASA, Technical Report R-6, 1959.

32. Adamson Т.е., Nicalls J.A. On the structure of jets from highly underexpanded nozzles into still air. J. Aerospace Sciences, 1959, vol. 26, p. 16-24.

33. Истмэн Д.В., Радке JI.П. Положение прямого скачка уплотнения в выхлопном факеле струи. Ракетная техника и космонавтика, 1963, №4, с. 184-185.

34. Bowyer, J., D'Attore, L. , and Yoshihara, H. Transon aspects of hypervelocity rocket plumes. Supersonic Flow, Chemical Processes and Radiative Transfer, edited by D.B. Olfe and V. Zakkay (Pergamon Press, New York, 1964), pp. 201-210.

35. Аттори Л.Д., Хашбаргер Ф.С. Применение метода тройной точки для определения положения центрального скачка уплотнения в струе. Ракетная техника и космонавтика, 1965, №8, с. 196-197.

36. Wen S. Young. Derivation of the free-jet Mach-disk location using the entropy-balance principle. Fhys. Fluids, 1975, vol. 18, №11.

37. Дулов В.Г. О моделях потоков, аппроксимирующих свойства сверхзвуковых струйных течений. ПМТФ, 1976, №4, с. 37-60.

38. Льюис С., Карлсон Д. Положение центрального скачка уплотнения в недорасширенной газовой струе и в струе газа с твёрдыми частицами. -Ракетная техника и космонавтика, 1964, №4, с. 239-241.

39. Авдуевский B.C., Иванов А. В., Карпман И.М., Трасковский В. Д., Юделович М.Я. Течение в сверхзвуковой вязкой недорасширенной струе. -Изв. АН СССР, МЖГ, 1970, №3, с. 63-69.

40. Бауэр А.Б. Положение центрального скачка уплотнения в недорасширенных струях с частицами. РТК, 1965, №6, с.252-254.

41. Crist S., Sherman P.M., Glass D.R. Study of the highly underexpanded sonic jet. AIAA J., 1966, vol. 4, N1, p. 68-71. Рус. пер. PTK, 1966, т.4, №1.

42. Глотов Г.Ф., Фейман М.И. Исследование параметров осесимметричных недорасширенных струй газа, истекающих в затопленное пространство. Учёные записки ЦАГИ. 1971. Т.2, №4. С.69-75.

43. Мурзинов И.Н. Параметры подобия при истечении сильно недорасширенных струй в затопленное пространство. Изв. АН, МЖГ, 1971, №4, с. 143-149.

44. Анцупов А. В. Исследование параметров нерасчётной сверхзвуковой струи газа. ЖТФ. Наука, Л. 1974. Т.44, №2. С.372-379.

45. Альбазаров Б.Ш. Геометрические характеристики сверхзвуковой недорасширенной струи. Изв. СО АН СССР, 1978, №13. Сер. тех. наук, вып. 3, с. 107-111.

46. Шелухин Я. Я. Параметры подобия формы недорасширенной струи при истечении в затопленное пространство. Учёные записки ЦАГИ. 1979. Т.10, №2, с. 130-136.

47. Я. Katanoda, Y. Miyazato, М. Masuda, К. Matsuo. Pitot pressures of correctly-expanded and underexpanded free jets from axisymmetric supersonic nozzles. Shock Waves. Volume 10, Number 2, May 2000.

48. Шири Д, Себолд Д. Длина сверхзвукового ядра высокоскоростных струй. Ракетн. техн. и космонавтика, 1967, т. 5, №11. С.198-199.

49. П. А. Нешерет, И.А. Ленцов, О.Э.Шлик. Методика расчёта дальнобойности базовой сверхзвуковой струи. Газодинамика и акустика струйных течений (Сборник научных трудов). Под ред. Дулова В.Г. Новосибирск, 1987.

50. Ширен У. (W. J. Sheeran), Досанж Д. (D.S. Dosanjh). Исследование струи, истекающей из двумерного недорасширенного звукового сопла. Ракетн. техн. и космонавтика, 1968, т. 6, №3.

51. Уэрл М., Шаффер Д., Дрифтмайер Р. Центральные скачки в свободных струях. Ракетн. техн. и космонавтика, 1970, т. 8, №12.

52. Дрифтмайер Р. Корреляция параметров свободных струй. Ракетн. техн. и космонавтика, 1972, т. 10, №8.

53. Е.И. Соколов, В.Н. Усков. Экспериментальное исследование трёхмерных недорасширенных струй. Гидроаэромеханика и теория упругости. Вып. 20, 1976.

54. G. Dupeyrat. Two- and three dimensional aspects of a free jet issuing from a long rectangular slit. - Presented as Paper 135 at the Twelfth International Symposium on Rarefied Gas Dynamics, Charlottesville, Va., July 7-11, 1980.

55. Teshima K. Thee-dimensional structure of supersonic free-jets issuing from orifices with various shape. In: Proceedings of the 1989 National Symposium on Shock Wave Phenomena, Tohoku University, Japan, 1989. P. 135.

56. A.B. Омельченко, В.Н. Усков, M.B. Чернышов. Об одной приближённой аналитической модели течения в первой бочке перерасширенной струи. Письма в ЖТФ, 2003, том 29, вып. 6.

57. Дулов В.Г., Райзберг Б.А. Начальная стадия образования струи. Изв. вузов, Авиационная техника. 1961, № 4, с. 30-33.

58. Simons G.A. The large time behavior of a steady spherical source expanding into an arbitrary ambient gas. AIAA Paper, 1970, N 232.61