Основными объектами исследования работы являются:
1) Газодинамика сверхзвуковых неизобарических высокотемпературных турбулентных затопленных струй продуктов сгорания и их теплосиловое воздействие на преграду.
2) Численные методы расчёта многокомпонентных течений с переменными теплофизическими свойствами при наличии ударных волн, зон разрежения, контактных разрывов, химических реакций, турбулентности.
Актуальность темы
.
Сверхзвуковые струи продуктов сгорания создают высокий уровень силового и теплового воздействия на газоотводящие устройства при старте ракет-носителей (РН). Это воздействие определяется газодинамической схемой старта и может превышать допустимое.
Газодинамика струйных течений является самостоятельным разделом аэродинамики, имеющим большой арсенал теоретических [1−30] и экспериментальных^-6,9−12,31−41] исследований. Характерные особенности имеют также и процессы теплообмена при взаимодействии турбулентных струйных течений с преградами, изучаемые в основном экспериментально [42−49].
Течение в сверхзвуковой затопленной струе характеризуют следующими параметрами: степенью нерасчётности истечения иа=Ра/Ре, числом Маха на срезе сопла Ма = иа/са. Здесь Ра и Ре соответственно статическое давление на срезе сопла и в окружающей среде, щ и са — скорость истечения и скорость звука. Для струй продуктов сгорания важными параметрами являются температура в камере (Г0), состав газов струи и состояние внешней среды.
Различают три режима истечения: расчётный режим (иа=1), режим перерасширения (яа<1) и режим недорасширения (иа>1). При нерасчётных 6 режимах истечения сверхзвуковая затопленная струя характеризуется системой скачков уплотнения на ее начальном (газодинамическом) участке. За начальным участком следует переходной участок, и, наконец, основной изобарический участок с максимум скорости на оси струи. На фоне процессов турбулентного смешения, в струях продуктов сгорания происходит процесс догорания топлива.
Диапазон изменения определяющих параметров при старте РН: Ма=2~4, «а=0.15-г5.0, 7, o=2900-s-3700K, массовая концентрация догорающих компонент на срезе сопла — окиси углерода до 30%, водорода до 2%.
В работах [31−36] даны экспериментальные зависимости параметров изобарических струй, представляющие собой обобщение многих испытаний различных авторов. В работах [31,32] приведены согласующиеся между собой зависимости изменения скорости на оси струи от числа Маха и температуры струи, при этом экспериментальные данные о влиянии температуры получены в основном для дозвуковых струй. В работе [33] приведены данные измерений параметров струйных течений при Т0 до 1000К и Мадо 1.7. В работе [34] приведены результаты исследования изменения скорости на оси струи Ма=2 при изменении температуры Го=300-И400К. В работах [35,36] даны эмпирические зависимости дальнобойности (длин начального и сверхзвукового участков) «холодных» (То=300К) струй.
В работах [38−41] приведены результаты измерений параметров неизобарических холодных струй.
В работе [50] проведено численное моделирование процессов теплообмена при натекании дозвуковой турбулентной струи на преграду, показавшее хорошее совпадение расчётов с экспериментов. В случаях воздействия сверхзвукового струйного турбулентного потока, теплообмен носит на «классический» характер и исследуется экспериментально [42−50].
Как показал анализ, в имеющейся литературе [1−50], практически отсутствуют данные измерений и расчётов струйных течений, отвечающих рассматриваемому диапазону. Прежде всего, это касается исследования влияния температурного фактора при нерасчётном режиме истечения в неизобарических струях и химических реакций, происходящих при смешении продуктов сгорания с воздухом в затопленных струях. Причем в диапазоне чисел Маха Ма=Зч-4 практически не имеется данных измерений как горячих, так и холодных струй.
Основные практические приложения настоящей работы связаны с решением вопросов газодинамики старта РН.
Исследования процессов при старте с физическим моделированием на экспериментальной базе, созданной под руководством Хотулева В. А. [51,52] и математическим моделированием [53,54], состоят из четырех взаимосвязанных направлений (рис.1):
1) выбор газодинамической схемы стартового сооружения, обеспечивающей отвод газов двигательных установок (ДУ) от изделия;
2) экспериментально-теоретическое исследование на маломасштабных и крупномасштабных стендах газодинамических, акустических, ударно-волновых и тепловых нагрузок на изделие и сооружение от действия струй ДУ;
3) проверка допустимости ожидаемых нагрузок, и в случае несоответствия возможна корректировка общей схемы старта и разработка мероприятий по снижению нагрузок, например применения системы водоподачи, теплозащитных покрытий и др.;
4) натурные испытания, в ходе которых проводятся контрольные газодинамические, тепловые и акустические измерения на старте.
Этапы отработки газодинамики старта.
Рис. 1. Этапы отработки газодинамики старта На первом этапе (эскизный проект), исходя из накопленного опыта, определяется: газодинамическая схема старта, обеспечивающая отвод газов ДУ от изделияциклограмма запуска ДУ, обеспечивающая приемлемый уровень ударно-волновых давлений.
Далее, в соответствие с газодинамической схемой определяются параметры газодинамического, акустического, ударно-волнового и теплового нагружения изделия и сооружения, которые на следующих этапах уточняются на основе экспериментально-теоретических исследований процессов при старте.
Третьим направлением является проведение проверки соответствия выбранной схемы старта исходным техническим требованиям, включающим в себя допустимость уровней нагрузок, обеспечение безремонтных пусков и т. п.
В случае несоответствия указанным требованиям возможна корректировка общей схемы старта и разработка мероприятий по снижению нагрузок, включающих в себя подачу воды в струи (для снижения всех видов нагрузок), применение противоимпульсных экранов и средств теплозащиты. После этого цикл расчётно-экспериментальных работ для обеспечения полноты отработки перед натурными испытаниями повторяется.
В ходе натурных испытаний проводятся контрольные газодинамические, тепловые и акустические измерения на старте.
Такая система отработки, обеспечивает безопасность старта в части вопросов газодинамики и в значительной мере способствует разработке, модернизации и успешным пускам ракет-носителей [51−54].
Необходимость обеспечения высокой надежности и исключительная сложность газодинамических и термодинамических процессов при старте РН требуют большого объема экспериментальных исследований с использованием маломасштабных и крупномасштабных моделей. При этом возникают проблемы связанные с необходимостью воспроизведения многочисленных геометрических элементов, присущих газоотводящим устройствам, определяющим сложную картину взаимодействия с ними градиентных струйных течений, а также влиянием масштабного и температурного факторов.
Физическое моделирование процессов газодинамики старта представляет собой самостоятельную сложную научную проблему. Большая роль в идеологии экспериментальной отработки принадлежит рекомендациям Главных конструкторов академиков — Королева С. П. и Бармина В. П., а также работам организаций КБОМ и КБТМ. В ЦНИИмаш большой вклад в создании испытательных стендов внесли Стерликов Н. Ф., Кудрявцев О. Н. и др.
На маломасштабных стендах в качестве рабочего тела чаще всего применяется «холодный» (7,о=300К) воздух. Более дорогостоящими являются «горячие» модельные испытания с применением продуктов сгорания керосин-воздуха, баллиститного и смесевого твердых наполнителей имеющих температуру в камере до 2300К, 2900К, 3650К соответственно, и массовой концентрация догорающих компонент на срезе сопла [СО]а до 50%, [#2]а до 3%.
Расчетные методики, разработанные ранее, опираются в основном на опытные данные и направлены на пересчет модельных экспериментов на натурные условия.
На современном этапе возникает потребность повышения экономичности отработки газодинамики старта носителей за счет применения методов математического моделирования, которые бы могли, оптимизировать стратегию физического моделирования, путем определения степени влияния на исследуемые процессы различных параметров и критериев подобия, и дополнить экспериментальную отработку, в части интерпретации эксперимента и учета факторов, трудно воспроизводимых при физическом моделировании. Например, сравнение полей течения холодных модельных и горячих натурных струй, моделирование воздействия при траекторных ситуациях, которые невозможно воспроизвести на стендах, расчет нестационарных прогревов конструкций и т. д. Применение адекватных теоретических моделей позволяет сократить объем стендовых испытаний, особенно горячих, заменяя их холодными воздушными, ограничить объем измерений и одновременно повысить надежность переноса данных на натуру.
В этой связи, для принятия обоснованных решений по выбору газодинамической схемы старта, актуальным является развитие и апробация методов расчёта затопленных струй двигательных установок, характеризующихся сильной пространственной неоднородностью полей скоростей, давлений и температур, обусловленной наличием системы скачков уплотнения, турбулентных сдвиговых слоев, догоранием топлива.
Метод исследования. Результаты работы получены на основе сочетания метода математического моделирования и экспериментальных исследований. В теоретических исследованиях использовались модели на основе уравнений Эйлера, уравнений пограничного слоя, осредненных по Рейнольдсу/Фавру параболизованных уравнений Навье-Стокса с различными алгебраическими и дифференциальными моделями турбулентной вязкости, решаемые с помощью разработанных автором эффективных численных методов. Физическое моделирование проводилось на стендах с использованием в качестве рабочего тела воздуха и продуктов сгорания твердых наполнителей.
Одним из определяющих факторов адекватности математических моделей является численный метод дискретизации дифференциальных уравнений (разностная схема). Для задач газодинамики численный метод Годунова С. К. [55,56] является наиболее надежными в расчёте сложных разрывных течений. Метод Годунова (1959) основан на аппроксимации потоков на границах ячеек разностной сетки с помощью точного решения автомодельной задачи распада газодинамического разрыва с начальными параметрами, соответствующими состояниям газа в соседних ячейках сетки. Схематически начальный разрыв газа с различными состояниями в левом и правом полупространстве распадается на три волны: на левую волну, контактный разрыв и правую волну. Левые и правые волны могут быть в зависимости от перепада давления, как веером волн разрежения, так и разрывами типа ударных волн. Точное решение задачи Римана распада разрыва сводится к итерационному решению системы нелинейных алгебраических уравнений и требует значительных вычислений, даже в случае совершенного газа. В этой связи, помимо схемы, основанной на точном решении, широкое применение получили более экономичные методы решения, основанные на приближенном решении задачи Римана.
57−68]. Кроме проблемы трудоемкости вычислений, в ряде физических случаев, точное решение задачи распада разрыва получить весьма затруднительно, например, в расчётах многокомпонентных потоков с переменными теплофизическими свойствами и химическими реакциями, которые рассматриваются в настоящей работе. Для расчёта таких течений, актуально развитие численных методов, основанных на приближенном решении задачи Римана. При этом важнейшим фактором допустимости приближенных реализации схемы Годунова, является выполнение условия неубывания энтропии [56,69]. Так, например, известные сеточно-характеристические схемы [59,60] не удовлетворяют этому условию, что приводит к образованию нефизических скачков в зоне разрежения при смене знака характеристик и требует применения процедур «энтропийной коррекции», обзор которых можно найти, например, в работе [57]. Решение энтропийной проблемы в численном решении гиперболических систем уравнений впервые предложено фон Нейманом (1950), путем введения искусственной вязкости «размазывающей» разрыв. В методе Годунова эту роль играет схемная вязкость [56], которая с применением точного решения задачи Римана минимальна для обеспечения выполнения энтропийного условия. В приближенных реализациях метода Годунова, для выполнения условия неубывания энтропии в численных расчётах, схемная вязкость должна быть выше, чем у метода с точным решением задачи Римана. Согласно дифференциальным приближениям численных алгоритмов [56,65], схемная вязкость пропорциональна скоростям волн, в представлении аппроксимации на основе задачи распада разрыва. Максимальной схемной вязкостью обладает известная схема Лакса (1954), в которой применятся максимальная оценка скоростей волн по всей расчётной области. Далее следует известная схема Русанова (1961) 1-го порядка с максимальной локальной (по параметрам в соседней ячейке) оценкой скоростей волн. В схемах Лакса и Русанова аппроксимация потоков на границе ячеек сетки проводится без рассмотрения контактного разрыва, что приводит к существенному «размазыванию» контактных разрывов в численных расчётах течений. Автором предложены схемы типа Годунова С. К., на основе приближенного решения задачи Римана с учетом контактного разрыва из соотношений на разрывах для уравнений газодинамики в массовых переменных. В этом случае решение задачи распада разрыва зависит от массовых скоростей потока через левую и правую волну, а энтропийное условие достигается путем применения максимальной локальной оценки этих параметров. Подход обобщен на сверхзвуковой случай, а также на маршевый расчёт дозвуковых зон с «расщеплением» продольных градиентов давления.
Проблемой, вызывающей наибольшие трудности при численном исследовании струйных течений является моделирование турбулентной вязкости, посредством которой вычисляются осредненные параметры турбулентного потока. Турбулентная вязкость не является физическим свойством газа, не существует и универсальной модели для нее, поэтому применение того или иного варианта требует верификации на экспериментальных данных для рассматриваемого класса течений.
Альтернативным подходом является прямое численное моделирование турбулентных течений на основе решения нестационарных уравнений Навье-Стокса, варианты которого находит все большее распространение [70−73], благодаря развитию вычислительной техники и совершенствованию численных методов. Требования к количеству узлов сетки в данных подходах для пространственно-временного разрешения турбулентных вихрей на три-четыре порядка выше, чем у метода на основе применения полуэмпирических моделей турбулентности. Это приводит к огромным требованиям к вычислительным ресурсам: памяти ЭВМ и процессорному времени. Для уменьшения трудоемкости вычислений, применяются комбинированные методы, например [73]. Подходы на основе прямого численного моделирования турбулентности, несмотря на проблему задания граничных условий на свободных границах, дают качественное согласие расчёта акустики дозвуковой струи с экспериментом [72]. Однако, кроме проблемы трудоемкости вычислений, имеющиеся отдельные примеры моделирования такими методами, не подтверждают их пригодность, для расчёта сверхзвуковых высокотемпературных струйных течений включающих ударно-волновые процессы и химические превращения.
Поэтому, в настоящее время, рабочим инструментом для рассматриваемых задач, являются методы с применением моделей турбулентной вязкости.
Для определения параметров струй при старте были разработаны и использовались методики расчёта рядом предприятий. Это методики расчёта ЦНИИмаш — Кулова Г. В. (одномерный расчёт неизобарических струй), Ваграменко Я. А., Никишина Б. А (методики расчёта изобарических одиночных, составных свободных и растекающихся струй). В БГТУ была разработана полуэмпирическая методика расчёта неизобарической струи Добросердовым И. Л. и др.
Полуэмпирические методики учитывают лишь интегральные характеристики и не описывают детальную структуру процессов, а модели на базе уравнений пограничного слоя не учитывают ударно-волновые процессы и вязко-невязкое взаимодействие.
Зарубежные авторы в основном опираются на известные работы Сполдинга (Spalding D. B) для расчёта изобарических турбулентных течений и Дэша (Dash S.M.) с сотрудниками, для химически реагирующих неизобарических струй.
Разработка методов расчёта затопленных неизобарических струй осложняется тем, что на ряду со сверхзвуковым ударно-волновым ядром струи, значительную часть слоя смешения занимает область с дозвуковыми скоростями, в которой задача становится эллиптической. Расчет таких течений можно провести на основе осредненных по Рейнольдсу/Фавру уравнений Навье-Стокса (Reynolds Averaged.
Navier-Stokes — RANS) с полуэмпирическими моделями турбулентности. Для нестационарных течений эта система уравнений имеет параболический тип по времени. Стационарное решение находится методом установления: система уравнений интегрируется по времени до тех пор, пока решение практически не станет стационарным. Значительные результаты в этом направлении достигнуты в МАИ Ивановым И. Э и в ИПМ МГУ Глушко Г. С., Крюковым И. А., а также в ЦНИИмаш Родионовым А. В. и другими. Методы расчётов сложных струйных течений с учетом ввода воды развиваются в БГТУ, в работах Круглова Ю. А., Синилыцикова Б. Е., Зюзликова В. П., Синилыцикова В. Б и др.
Соответствующий алгоритм расчёта струйных течений, методом установления, на основе новых численных методов, разработан и автором.
Однако, большое расхождение в величинах линейных масштабов и параметров течения в различных зонах, а также необходимость учета сложного состава газов с химическими реакциями, приводит в расчётах методом установления к существенным затратам машинного времени. Следует учесть, что для струйных течений в полной мере не решена проблема турбулентности, поэтому, для решения практической задачи требуется, как правило, проведения серии расчётов. Все это затрудняет применение решения полной системы осредненных уравнений Навье-Стокса методом установления для инженерных задач. На порядок более экономичным является зональный подход, с разделением течения на области, которые описываются с помощью физически обоснованных моделей и алгоритмов, позволяющими решать задачу эволюционными (маршевыми) численными методами. Основными допущениями таких моделей, которые вполне оправданы для расчёта рассматриваемых струйных течений, являются исключение вязкого переноса количества движения и энергии в продольном направлении, а также не учет возмущений, передаваемых через давление вверх по потоку во внешней дозвуковой зоне турбулентного слоя смешения. Решение для всей рассматриваемой области получается стыковкой локальных решений. Эффективность зональных методов определяется адекватностью моделей в каждой из зон, а также способами стыковки локальных решений. В этой связи целесообразна разработка маршевых методов с различными способами разделения на зоны и стыковки решений в отдельных зонах.
Для расчёта струйных течений, в основном, применяют зональные подходы с разделением на невязкое и вязкое течения, а также на сверхзвуковое и дозвуковое течения, с различными вариантами расчёта дозвуковой зоны.
Зональный подход, с разделением потока на сверхзвуковое невязкое и вязкое течения, предложен в работах Дэша, Пергамента (Pergament H.S.), Ватсы (Vatsa V. N) и др. В БГТУ этому направлению посвящены работы Зазимко В. А., Клочкова А. В. В этом методе, градиенты давления в слое смешения учитываются из расчётов в невязкой области. Этот подход не учитывает влияние турбулентной вязкости на невязкое сверхзвуковое течение (вязко-невязкое взаимодействие) и применим для расчёта течения в ближнем поле струи.
С целью применения маршевого алгоритма для расчёта затопленных струй, в работах Дэша, Козлова В. Е. и др., принимается допущение об отсутствии поперечных градиентов давления в дозвуковой части слоя смешения. Отметим, что это допущение касается менее широкой зоны, чем принимаемое в теории пограничного слоя, согласно которой давление постоянно во всем поперечном сечении слоя смешения (включая и сверхзвуковую часть).
Сравнительно недавно Родионовым А. В. предложен маршевый метод, в котором частично учитываются поперечные градиенты давления в дозвуковой зоне слоя смешения и часть продольных градиентов.
Следующий уровень приближения к модели без допущений об изменении давления в дозвуковой части слоя смешения, имеет маршевый метод настоящей работы. Согласно которому в дозвуковой зоне в полной мере учитываются поперечные изменения давления, а для исключения возмущений через давление вверх по потоку применен подход «расщепления» продольных градиентов давления Виньерона (Vigneron.
Y.C.).
Методы с разделением на сверхзвуковую и дозвуковую зоны, позволяют проводить экономичный расчёт всего поля течения, включая газодинамический и основные участки, однако, как упомянуто, требуют соответствующей модели турбулентной вязкости.
Существуют многие варианты моделей турбулентности [74−93], выбор которой требует сравнения расчётов и экспериментов, с учетом опыта других авторов. Из теоретических работ [1−30] этой проблеме уделено внимание в работе [30], струйные течения рассматриваются также в [88−92]. В работе [30] проведено исследование моделей семейства к-е [82−83] и других путем сравнения результатов расчётов и измерений статического давления на оси струи с параметрами на срезе сопла Ма=2, «а=1.5, Го=300К по данным работы [38]. В работах [88−91], в сравнении с экспериментальными данными [34], рассматривается модель к-а, с поправками на сжимаемость [84−89], анализируются и поправки на влияние температуры потока. В работе [92] проведено подробное тестирование моделей [83,85,93] на экспериментах работы [34] с изменением температуры струи.
Однако в литературе нет результатов применения моделей турбулентной вязкости к расчёту высокотемпературных неизобарических струй продуктов сгорания.
Цели и задачи работы состоят в следующем: о создание эффективных методов расчёта сверхзвуковых затопленных высокотемпературных неизобарических турбулентных струйо развитие численных методов решения уравнений газодинамики для потоков с переменными теплофизическими свойствами при наличии ударных волн, зон разрежения, контактных разрывов, химических реакций, турбулентной вязкостио проведение и систематизация экспериментальных исследований параметров холодных и горячих сверхзвуковых затопленных струйных теченийо разработка инженерных методик расчёта характеристик струй, их теплосилового воздействия на элементы конструкции при стартео верификация предложенных численных моделей струйных течений с применением различных моделей турбулентной вязкости путем сравнения с экспериментальными данными.
Основные положения, представляемые к защите:
1) математические модели, численные методы и алгоритмы расчёта высокотемпературных сверхзвуковых неизобарических затопленных турбулентных струй продуктов сгорания;
2) численные методы решения уравнений газодинамики типа Годунова С. К. на основе аппроксимации потоков на границе ячеек сетки с помощью нового приближенного решения задачи распада разрыва в массовых переменных, с максимальной локальной энтропийно согласованной оценкой скоростей волн;
3) результаты экспериментальных исследований параметров сверхзвуковых высокотемпературных струй и их воздействия на преградуинженерные методики расчёта параметров струйных течений на основном участке, а также силовых и тепловых нагрузок при их воздействии на преграду;
4) результаты численных расчётов струйных течений с различными моделями турбулентной вязкости, их сравнение с опытными данными и рекомендации по применению моделей турбулентности в диапазоне параметров соответствующим условиям начала движения носителей.
Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований являются новыми и заключаются в следующем:
• впервые осуществлен комплексный подход создания методов расчёта затопленных струй двигательных установок, включающий разработку математической модели и алгоритмов расчёта, получение недостающих экспериментальных данных, и верификацию представленных методов расчёта с применением различных моделей турбулентности;
• представлены новые экономичные энтропийно согласованные численные схемы решения нестационарных и стационарных уравнений газодинамики;
• созданы новые численные методы расчёта термогазодинамики струйных течений, адекватно учитывающие турбулентное смешение, вязко-невязкое взаимодействие, ударно-волновую структуру, догорание топливаполучены новые инженерные методики расчёта прогнозирования характеристик холодных и горячих сверхзвуковых струйных течений, а также силовых и тепловых нагрузок при их воздействии на преграду;
• на серии экспериментальных данных впервые проведен анализ применимости ряда известных моделей турбулентности для рассматриваемых задач с учетом влияния температурного фактора в неизобарических струяхвыданы рекомендации по применению моделей турбулентности в рассматриваемых условиях.
Практическое значение: о предложенные численные схемы решения уравнений гидродинамики просты в реализации, экономичны и могут быть использованы в решении широкого круга практических задач расчёта сложных разрывных течений многокомпонентных потоков с переменными теплофизическими свойствами. о разработанные численные методы расчёта струйных течений и инженерные методики позволяют получить достоверные результаты о структуре течения и основные характеристики воздействия на элементы газоотводящих устройств, что дает возможность оптимизировать экспериментальную отработку газодинамики старта РН. о полученные экспериментальные зависимости характеристик горячих струйных течений, могут быть использованы для верификации численных методов расчёта струй и моделей турбулентной вязкости в рассматриваемом диапазоне изменения характерных параметров.
Достоверность результатов подтверждаются использованием фундаментальных законов сохранения массы, импульса и энергии и условия неубывания энтропии в численных реализациях и общих положений теории численных методов. Многочисленным и всесторонним тестированием разработанных численных методов и программ на точных решениях специальных задач газодинамики в предельных сочетаниях параметров, исследованием устойчивости и сходимости решений на последовательности сгущающихся сеток, сравнением результатов расчётов с экспериментальными данными, а также результатами расчётов другими методами. Сравнительным анализом разработанных численных моделей расчёта струйных течений и сопоставлением результатов расчётов с полученными обобщенными экспериментальными зависимостями.
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Полный объем работы, включая 5 таблиц, 73 наименования рисунков и список литературы, насчитывающий 122 наименований, содержит 175 страниц.
Основные результаты работы состоят в следующем:
1. Представлена новая экономичная схема решения нестационарных уравнений газодинамики для расчёта сложных разрывных течений, основанная на аппроксимации потоков на границе ячеек сетки с помощью приближенного решения задачи Римана из соотношений на разрывах выражающих законы сохранения в массовых переменных, с учетом контактного разрыва и с максимальной локальной оценкой скоростей волн.
Всесторонние тестовые расчёты с предельными изменениями параметров подтвердили, что схема имеет широкий диапазон применимости без осцилляций на разрывах и энтропийных проблем. Результаты численных расчётов зон разрежения и скачков близки к схеме Годунова с точным итерационным решением задачи Римана при сокращении времени счета типовых задач в 2−3 раза.
Предложенный алгоритм, с верхней локальной оценкой скоростей волн, не требует привлечения уравнения состояния при аппроксимации потока на границе ячейки сетки, что дает возможность применения схемы для широкого класса задач газодинамики с переменными теплофизическими свойствами среды.
2. Нестационарная схема обобщена на случай расчёта сверхзвуковых стационарных течений газа, на основе аппроксимации потоков на границах ячеек сетки с помощью приближенного решения задачи о взаимодействии плоских стационарных сверхзвуковых потоков. Применяются соотношения, выражающие законы сохранения массы импульса и энергии на поверхности стационарного разрыва, для уравнений в массовых переменных с локальной максимальной оценкой наклона волн. Приведены тестовые примеры, подтверждающие эффективность метода в широком диапазоне изменения параметров. Подход распространен на случай расчёта дозвуковых вязких зон в сдвиговых слоях, с помощью концепции «расщепления» давления и применен в настоящей работе для расчёта сверхзвуковых струйных течений реагирующих газов.
3. Разработаны два экономичных маршевых зональных метода и соответствующие программы расчёта сверхзвуковых неизобарических турбулентных затопленных струй продуктов сгорания на основе параболизованных осредненных уравнений Навье-Стокса (ПУНС), дополненных моделями турбулентной вязкости.
Первый подход основан на стыковке ПУНС, описывающих течение в сверхзвуковом ядре струи и уравнений пограничного слоя, представляющих течение в дозвуковой части слоя смешения, давление в которой принимается постоянным.
Второй метод основан на численном решении ПУНС, с расщеплением продольных градиентов давления в дозвуковой зоне слоя смешения для достижения эволюционности задачи. Этот подход является более общим, чем первый, поскольку учитываются поперечные изменения давления в дозвуковой зоне и часть продольных градиентов, но уступает ему в экономичности.
4. С помощью численного метода п. 1 разработан алгоритм расчёта струйных течений на основе решения уравнений Навье-Стокса методом установления. В этой модели нет ограничений на изменения давления в дозвуковой части слоя смешения, однако время счета значительно больше, чем с помощью маршевых методов.
5. Представленные маршевые методы расчёта параметров струйных течений согласуются между собой и результатами расчётов методом установления, что свидетельствует о допустимости принятых допущений.
6. Многочисленным сравнением результатов расчётов с опытными данными подтверждено, что разработанные экономичные маршевые методы расчёта параметров затопленных струй двигательных установок, позволяют адекватно описывать протекающие в них основные процессы: турбулентное смешение истекающих газов с воздухом, вязко-невязкое взаимодействие турбулентного слоя смешения с ударно-волновым ядром струи, догорание топлива в эжектируемом воздухе.
7. Проведены экспериментальные исследования характеристик сверхзвуковых холодных и горячих затопленных струйных течений, и их воздействия на преграду. В результате обобщения данных получены инженерные методики расчёта характеристик струй на основном участке, параметров их силового и теплового воздействия на преграду. Получены недостающие экспериментальные данные для верификации моделей турбулентной вязкости и численных методов расчёта неизобарических струйных течений продуктов сгорания.
8. Сравнением результатов расчетов с полученными экспериментальными данными и результатами измерений характеристик струй другими авторами проведено тестирование известных моделей турбулентной вязкости с изменением числа Маха и температуры струи в диапазоне Ма=2−4, 7о=(300−2850)К. Ключевым моментом верификации моделей турбулентности является сравнение измерений и расчётов характеристик неизобарических затопленных струй продуктов сгорания.
В рассмотрение включены модели Прандтля, Секундова с одним (v) и двумя (k—v) уравнениями, Спэларта-Аллмараса (S-A), к—со 2007 Вилкокса, k-s со стандартным набором констант, а также k—s с поправками на сжимаемость Саркара-Земана.
На основании проведенного анализа моделей турбулентности можно сделать следующие выводы:
— Модели S-A, k-v, k-sстандарт не отражают как влияние числа Маха, так и температуры струи;
— Модели к-а и k-s с поправками на сжимаемость согласуются измерениями холодных (Го=300К) струй, однако не учитывают влияние температурного фактора;
— Из рассмотренных моделей, влияние числа Маха и температуры в расчётах сверхзвуковых струй удовлетворительно учитываются по моделям Прандтля и однопараметрической Секундова с модифицированным набором эмпирических коэффициентов.
На основе проведенных исследований, данные модели рекомендуются к применению в расчётах струйных течений при старте.
9. Разработан метод расчёта струйных течений с образованием диска Маха, удовлетворительно согласующийся с экспериментальными данными. Показано, что на течение, возникающее за диском Маха, существенное влияние оказывает турбулентная вязкость.
10. Разработан зональный метод расчёта типовой задачи старта при воздействии сверхзвуковой струи на преграду. Маршевым методом рассчитывается набегающий струйный поток, который затем используется в качестве входных данных для расчёта течения в зоне взаимодействия на основе уравнений Эйлера. Сравнением с экспериментом показано, что подход применим для расчёта силовых нагрузок на элементы конструкций и прогнозирования расстояний от среза сопла до преграды, на которых в зоне взаимодействия возникают автоколебания.
На основании проведенных работ можно сделать следующие выводы:
1. На основе комплексных экспериментально-теоретических исследований решена важная для практики сложная научная проблема расчёта сверхзвуковых неизобарических затопленных струй продуктов сгорания и их теплосилового воздействия на преграду. Разработанные экономичные численные методы и алгоритмы расчёта течений, а также инженерные методики позволяют получить с достаточной для практики точностью данные о структуре потока и основные характеристики воздействия на элементы конструкций. Что в свою очередь дает возможность оптимизировать и снизить объемы дорогостоящих этапов полносистемных и крупномасштабных испытаний при отработке термогазодинамики старта носителей.
2. Разработанные численные схемы решения нестационарных и стационарных уравнений газодинамики типа Годунова С. К. с новыми приближенными энтропийно согласованными решениями соответствующих модельных задач при аппроксимации потока на границе ячеек сетки могут быть использованы в решении широкого круга практических задач для расчёта сложных разрывных течений многокомпонентных потоков с переменными теплофизическими свойствами.
Заключение
.
