Численное моделирование нестационарных отрывных течений на параллельной вычислительной системе

• Автор: Косарев, Леонид Витальевич
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 120 с.

Содержание
Введение Глава
Численное моделирование
на многопроцессорной вычислительной системе 3-0 стационарных и нестационарных отрывных течений в кавернах
§ 1.1. Кинетически-согласованные разностные схемы
§ 1.2. Адаптация кинетически-согласованных разностных схем для расчета трехмерных течений вязкого теплопроводного газа на параллельные вычислительные системы
§ 1.3. Численное моделирование тепломассообмена в трехмерных кавернах
§ 1.4. Численное моделирование пульсаций давления в трехмерных выемках
Глава
Численное исследование нестационарных режимов некоторых задач внешнего обтекания
§ 2.1. Численное исследование влияния формы выемки на характеристики пульсационного течения газа
§ 2.2. Численное исследование нестационарного обтекания тел с выступающими носовыми частями
Заключение Список литературы

Введение
Вопросы течения и теплообмена в отрывных зонах вызывают постоянный интерес специалистов авиационной и космической техники. Причиной такого интереса является изобилие конструктивных элементов летательных аппаратов, при обтекании которых возникают отрывные течения.
Множество практически интересных задач аэродинамики являются нестационарными. Нестационарные режимы могут возникать в струйных, отрывных и донных течениях, в частности при обтекании поверхностей с выемками и при обтекании тел с выступающими носовыми частями (иглами).
При нестационарном обтекании происходят (возможно периодические) изменения не только параметров течения, но и положений скачков уплотнения, центров вихрей и других факторов, определяющих структуру течения. Важной характеристикой нестационарных течений является давление, т.к. именно высокие уровни колебаний (пульсаций) давления являются причиной усталостных повреждений элементов конструкций и выхода из строя аппаратуры летательных аппаратов. Нестационарные зоны отрыва характерны тем. что спектры пульсаций давления имеют дискретные составляющие, указывающие на наличие резонансных явлений в рассматриваемых зонах.
В стационарной отрывной зоне гармонические колебания параметров течения отсутствуют. Поэтому в спектре пульсаций давления дискретные составляющие не возникают. Этот спектр для турбулентного течения характеризуется ’’белым” шумом, возбуждаемым турбулентностью потока и отсутствием любых пульсаций для ламинарного течения.
Исследование причин возникновения пульсаций дает возможность разработки способов снижения их уровня, а в ряде случаев и предотвращения возникновения пульсаций.
Обтекание выемки (каверны) открытого тина (Ь/Н < 10...12) высокоскоростным потоком представляет большой интерес для инженерных приложений в аэрокосмической технике. Эта задача интересна по следующим причинам: во-первых, она включает в себя характерные черты других течений газа с отрывом и поэтому является хорошим вычислительным тестом и, во-вторых, имеет широкое практическое применение. Такие элементы конструкций летательных аппаратов довольно часто встречаются на практике. Они могут образовываться приборными, бомбовыми отсе-

ками, отсеками шасси и вооружения, полостями отключенных двигателей управления, поперечно обтекаемыми щелями между плитками теплозащитного покрытия и

Наибольший интерес с практической точки зрения представляет определение изменения динамических и тепловых нагрузок, действующих на поверхность летательного аппарата, из-за наличия выемки. Для расчета теплообмена на стенках выемки необходима информация о всей структуре течения. Сложность численного решения соответствующих задач в значительной мере заключается в эффективном совместном расчете процессов, происходящих как в вязкой, так и в невязкой части потока.
Из экспериментальных исследований стационарного обтекания каверн отметим [58], [61], [62], из численных- [56] - [57], [53] - [55].
Выемки, взаимодействующие с потоком газа, при больших числах Рейнольдса внешнего потока могут генерировать интенсивные резонансные колебания давления. Частота, амплитуда и форма дискретных резонансных составляющих спектра пульсаций зависят от формы выемки и параметров набегающего потока.
Проведенные к настоящему времени многочисленные исследования, как экспериментальные и теоретические, так и численные, внесли определенный вклад в понимание особенностей возникновения и развития пульсаций течения в открытой выемке, обтекаемой сверхзвуковым потоком. Пульсации течения обычно обусловлены взаимодействием свободного сдвигового слоя, образующегося над выемкой, с внешним потоком, которое приводит к периодическому подводу и отводу массы к полости и из нее вблизи задней стенки выемки.
После того как удалось понять механизм колебаний, стало возможным избежать возникновения неустановившегося течения с опасными для конструкций колебаниями большой амплитуды. Для этого применяют скошенную заднюю кромку выемки или щиток вдоль ее передней или задней кромки.
Механизм возникновения пульсаций давления в выемке, обтекаемой сверхзвуковым турбулентным потоком исследовался как экспериментально [59] - [60], [63]—[69], так и численно [70]—[73], [79]. Для случая ламинарного обтекания выемки существенно меньше как экспериментальных [63], [64], так и расчетных [80] работ. Это связано со сложностью получения ламинарного пограничного слоя перед точкой отрыва в аэродинамических трубах. Ламинарное течение в выемке может быть реализовано, если размеры самой выемки будут небольшими (в [64] выемка имела размеры 3 мм глубины на 6 мм длины). Очевидно, что разместить измерительный датчик в слое смешения такой выемки практически невозможно (без искажения структуры самого

0.2015 0.2591 0.3166 0.3742 0.4310 0.4693 0.5469 0.6044 0.662 0.7196
0.7771 13: 0.8347 14: 0.8922

Каверна с излучающими стенками.

9: 10: і т
0.3354 0.3968 0.4582 0.5197 0.5811 0.6425 0.7039 0 7653 0.8267 0.8881 П 91ЧЄ
Каверна с адиабатическими стенками.
Рис.1.3.4. Изолинии температуры на плоскости симметрии простой каверны (сечение XZ) для различных температурных режимов стенок каверны.