Высокоскоростные течения многофазных систем с большими деформациями межфазных границ

• Автор: Воронин, Дмитрий Владимирович
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 408 с. : ил.

ГЛАВА I. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДВИЖЕНИЯ
ДВУХФАЗНОЙ СРЕДЫ
§ 1.1. Модель движения среды с явным выделением межфазных
границ
§ 1.2. Модель движения в рамках гипотезы о взаимопроникающих
континуумах
§ 1.3. Основные методы расчета течений двухфазной среды с большими
деформациями
ГЛАВА II. АКУСТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ В ПУЗЫРЬКОВЫХ СРЕДАХ
§ 2.1. Введение
§ 2.2. Динамика одиночного пузырька в акустических волнах
§ 2.3. Волновое взаимодействие пузырьков в акустическом поле
§ 2.4. Основные результаты и выводы к главе II
ГЛАВА III. СТРУКТУРА СТАЦИОНАРНОЙ ДЕТОНАЦИОННОЙ
ВОЛНЫ В РАСПЫЛАХ
§ 3.1. Экспериментальные и теоретические исследования явления
гетерогенной детонации распылов
§ 3.2. Существование решений для стационарной детонации
газовзвесей
§ 3.3. Модель стационарной газокапельной детонации
§ 3.4. Основные качественные структуры детонационных волн в
распылах
§ 3.5. Основные результаты и выводы по главе III
ГЛАВА IV. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНЫХ
ВОЛН ДЕТОНАЦИИ В ГАЗОВЗВЕСЯХ
§ 4.1. Математическая постановка задачи

§ 4.2. Динамика выхода на самоподдерживающийся режим и динамика
"срыва" детонации
§ 4.3. Расчет критических энергий инициирования
§ 4.4. Об устойчивости детонационных волн
§ 4.5. Основные результаты и выводы по главе IV
ГЛАВА V. ДЕТОНАЦИОННЫЕ ВОЛНЫ В ОГРАНИЧЕННОМ
ОБЪЕМЕ
§ 5.1. Введение
§ 5.2. Влияние потерь в стенки трубы на параметры и структуру
волны
§ 5.3. Газовая детонация в ограниченном объеме
§ 5.4. Взрывные процессы в пузырьковых средах
§ 5.5. Основные результаты и выводы главы V
ГЛАВА VI. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАЗРУШЕНИЯ ПЛАНЕТ ПРИ
ВЗРЫВЕ
§ 6.1. Введение
§ 6.2. Поведение взвесей тяжелых частиц за фронтом ударной волны
§ 6.3. Фрагментация медленно вращающихся планет
§ 6.4. Разрушение быстро вращающихся планет
§ 6.5. Основные результаты и выводы к главе VI
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

Актуальность темы диссертации.
Расширение класса задач, лежащих в основе классической гидродинамики, связано с более детальным рассмотрением природных процессов и перспективами новых технологий, а учет новых факторов в рамках сложившейся концепции механики сплошных сред приводит к необходимости изучения обусловленных ими гидродинамических эффектов.
Для развития новых технологий и исследования природных явлений, связанных с высокоскоростными волновыми течениями (детонации и взрывом, в частности), часто требуется изучение процессов в многофазных средах. Особенностью волн в таких системах является то, что компоненты смеси предварительно не перемешаны на молекулярном уровне и находятся в различных фазовых состояниях. Взрыв смесей часто приводит к образованию сложных волновых структур, свойства среды при этом могут существенно меняться. Перед волной среда находится, как правило, в состоянии механического и физического равновесия, а скорости химических реакций равны нулю. В волне возмущениям подвергаются основные термодинамические параметры потока, что может привести к скоростной и температурной неравновесности фаз, сопровождаемой химическими реакциями, фазовыми переходами и нарушениями сплошности вещества. Так движение волн в жидкости приводит к кавитации и образованию пузырьковых кластеров. Процесс волнового нагружения в твердых телах вызывает упругопластические деформации среды. Повышение температуры в волне, идущей по химически активному веществу, может способствовать резкому увеличению скорости химической реакции и взрыву.
Важное научное и технологическое значение имеют исследования процессов в двухфазных средах, когда весь объем заполнен одной фазой (несущая фаза) со взвешенными в ней многочисленными фрагментами другой,
пузырька на жидкость в условиях ее сжимаемости. Описание этих эффектов невозможно сделать в рамках модели ИКВ и требует решения полных уравнений гидродинамики с явным выделением границ между фазами и расчета полей основных параметров как внутри пузырька, так и во внешнем потоке жидкости. Для детального исследования процессов зарождения и развития пузырькового кластера, образования вторичных волн необходимо проводить адекватное численное моделирование, описывающее осцилляции пузырьков в акустической волне, взаимодействие пузырьков внутри кластера и с твердой поверхностью. Ясно, что одномерный анализ недостаточен, чтобы решить задачу должным образом. Сложный характер межфазных взаимодействий требует развития мощных компьютерных методов для моделирования, основанного на законах сохранения для многомерных потоков.
В большинстве численных моделей, используемых для анализа коллапса пузырька около плоских межфазных границ, жидкая среда около пузырька предполагается невязкой, несжимаемой и безвихревой (см. обзорные статьи [157 - 159]). Первая полностью численная модель коллапса пузырька около твердой границы была предложена в [160, 161]. Определялась нестационарная скорость свободной поверхности в потенциальном течении несжимаемой жидкости. При численном интегрировании уравнения Бернулли показана возможность асимметричного схлопывания первоначально сферического газового пузырька около границы из-за неоднородного поля давления. Получено решение с кумулятивной струйкой, направленной к стенке. В [162] аналогичная задача решена для первоначально эллипсоидального пузырька. При увеличении отношения большой полуоси эллипсоида к малой возникает кольцевая струя, которая отделяет малый пузырек от начального. В работе [163] использован граничный интегральный метод для численного моделирования роста и схлопывания паровых каверн в стационарном потоке около твердой границы в присутствии сил Архимеда. Было обнаружено, что