Управление сверхзвуковым обтеканием тел при помощи локализованного подвода энергии в набегающий поток

• Автор: Георгиевский, Павел Юрьевич
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 110 с. : ил

Оглавление
Введение
1 Постановка задачи и методика решения
1.1 Модель энергоисточника, параметры подобия, эффективность расходования энергии
1.2 Постановка задачи в цилиндрической системе координат, реализация численного алгоритма
1.3 Постановка задачи в сферической системе координат, реализация численного алгоритма
2 Газодинамические особенности сверхзвукового обтекания энергоисточников
2.1 Формирование температурного следа, эффекты запирания потока и насыщения потока энергией
2.2 Особенности критических режимов обтекания энергоисточников
2.3 Эффект безударного торможения потока
2.4 Воздействие одиночного импульса на поток
2.5 Обтекание импульсно-периодических энергоисточников
3 Использование энергоисточников для управления обтеканием затупленных тел
3.1 Особенности обтекания затупленных тел
3.2 Обтекание сферы для энергоисточников различной мощности
3.3 Воздействие импульсно-периодических энергоисточников на обтекание сферы
4 Использование энергоисточников для управления обтеканием заостренных тел
4.1 Особенности обтекания заостренных тел
4.2 Влияние мощности энергоисточника на обтекание тела оживальной формы
4.3 Обтекание тела оживальной формы при импульсно-периодическом подводе энергии

4.4 Особенности обтекания заостренных тел с различным углом при вершине
4.5 “Неправильное” обтекание заостренных тел
4.6 “Неправильное” обтекание заостренных тел при импульсно-периодическом подводе энергии
Заключение
Литература

Введение
Одним из новых способов улучшения аэродинамических характеристик перспективных летательных аппаратов является управляемое воздействие на набегающий газовый поток, которое может быть осуществлено различными способами и, в том числе, при помощи локализованного в небольшом замкнутом объеме подвода энергии.
Практическая возможность дистанционного подвода энергии к сверхзвуковому потоку подтверждена в экспериментах, выполненных в последние годы. Организация в потоке пульсирующих и стационарных электрических, СВЧ и оптических разрядов приводит к возникновению плазменных образований, в которых происходит интенсивное поглощение энергии внешнего электромагнитного поля или излучения. Изучение газодинамических особенностей взаимодействия сверхзвуковых потоков и плазменных образований - энергоисточников является актуальной задачей.
Вопрос о возможности эффективного улучшения аэродинамических характеристик тел при помощи подвода энергии в набегающий поток в настоящее время активно дискутируется на научных конференциях и в печати. За энсргоисточником формируется высокотемпературный след с пониженными значениями чисел Маха, полного давления н скоростного напора, что позволяет изменять свойства набегающего на тело потока. Если размеры энергоисточника и тела сравнимы, осуществляется квазиравномерное обтекание тела и сопротивление снижается за счет непосредственного изменения параметров набегающего потока. Однако, подвод энергии даже в сравнительно небольшой области пространства может привести к перестройке головных ударно-волновых структур перед телом. В этом случае сопротивление снижается за счет перехода к “неправильным” режимам обтекания тел, а энергоисточник инициирует этот переход или, иначе говоря, используется для “управления обтеканием” тел. Актуальной проблемой является исследование возможности “управления обтеканием” тел различной формы и оптимизация параметров энергоподвода для эффективного снижения сопротивления.
Идея управления обтеканием тел при помощи сравнительного небольшого воздействия на набегающий поток базируется на известном факте неединственности решения задачи об обтекании тела в классической газовой динамике. Для любого тела, как затупленного, так и заостренного, наряду с “правильным” решением с отошедшей или присоединенной на острие ударной волной принципиально возможно бесконечное количество “неправильных” решений с передним конусом, заполненным покоящимся газом,
менение плотности в полуплоскости г < г0 мало (рис.2.36), а интенсивное растекание следа в радиальном направлении начинается как раз в плоскости г = г0, а слева от нее выражено слабо (рис.2.3в). Данные наблюдения дают основания использовать для приближенного описания течения в каждой элементарной трубке тока при х < г0 известную теорию одномерных течений с подводом энергии в трубе постоянного сечения (см. [101], стр.103-107). Поскольку плотность подвода энергии имеет Гауссовское распределение по пространству, то в каждой трубке тока подводится разное количество тепла и в любом сечении можно рассчитать профиль распределения параметров.
В критической точке г = х0 выполнено равенство М = 1, а распределения чисел Маха, статического давления, плотности и продольной относительной скорости у/ух имеют строгие локальные экстремумы с разрывом производной (рис.2.4а-г). Как известно, для одномерных течений переход через скорость звука при сохранении знака подвода энергии йд невозможен, но характер воздействия положительного подвода энергии на сверхзвуковой поток соответствует рис.2.4 при х < х0 числа Маха и скорость уменьшаются, статическое давление и плотность увеличиваются. Для двумерных течений переход через критическую точку при движении частиц вдоль оси симметрии становится возможным благодаря интенсивному растеканию потока в радиальном направлении в полуплоскости г > г0 (рис.2.3в). Известный факт, что при больших числах Маха Мао 1 относительное изменение давления при подводе тепла велико по сравнению с относительным изменением плотности и скорости также согласуется с рис.2.4. Более того, оказалось, что распределения плотности и относительной скорости у/у„0 на отрезке оси симметрии г < х0 совпадают для различных чисел Маха набегающего потока. В одномерной теории при увеличении подвода энергии с!,д при приближении к точке М = 1 графики зависимости газодинамических от параметров от д имеют вертикальные касательные. На рис.2.4 графики при приближении к критической точке имеют большую, но не бесконечную производную, так как поток при г < х0 все-таки отличается от одномерного.
Таким образом, выводы, сделанные при анализе особенностей “критических” режимов обтекания энергоисточников для различных числах Маха набегающего потока, позволяют использовать для описания течения “выше” критической точки одномерное приближение1.
Система уравнений Эйлера (1.9) для одномерных движений с подводом энергии примет вид:
№ Ще^)=0 = (2Л)
аг аг аг
Если в последнем уравнении положить в правой части д = д^, то система (2.1) интегрируется и сводится к известным алгебраическим соотношениям на скачке с те-
1 Представленные далее до конца параграфа результаты получены студенткой И. А.Войн в дипломной работе, выполненной в 2001 году на кафедре гидромеханики Мехмат факультета МГУ под руководством В.А.Левина, П.Ю.Георгиевского