Методика численного моделирования конвективного теплообмена на телах сложной формы с использованием метода эффективной длины

• Автор: Журин, Сергей Викторович
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 122 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Оглавление.
Обозначения
Индексы
Введение.

Глава 1. Исходная математическая модель.

1.1 Ламинарный режим течения в пограничном слое.

1.2 Турбулентный режим течения в пограничном слое.

Глава 2. Осесимметричные течения

2Л Моделирование теплообмена на сфере.

2.1.1 Ламинарные тепловые потоки в критической точке

2.1.2 Выбор метода интегрирования.
2.1.3 Результаты расчта
2.2 Оценка погрешностей расчта.
2.2.1. Оценка погрешности вычислительного метода
2.2.2. Оценка влияния погрешности входных данных
2.2.3. Оценка влияния машинной погрешности округления.
2.2.4 Обобщение ошибок расчтов тепловых потоков на сфере
2.3 Анализ вариантов повышения точности расчта.
2.3.1 Оценка погрешности интерполяции входных данных в
промежуточных узлах.
2.3.2 Влияние шага интегрирования.
2.4 Верификация метода расчта
2.4.1. Сфера
2.4.2. Конус
2.5 Расчт тепловых потоков на сфере по распределению
поверхностных газодинамических параметров, полученных на
прямоугольной адаптивной сетке
2.5.1 Выбор метода интегрирования.
2.5.2 Выбор соотношения размера расчтной ячейки с шагом
интегрирования.
Глава 3. Пространственные течения.
3.1 Генерация поверхностной треугольной сетки.
3.1.1 Способ триашуляции.
3.1.2 Пример триангуляции на сфере.
3.2 Основные положения. Алгоритм расчта
3.2.1 Обратная линия тока
3.2.2 Шаг по времени.
3.2.3 Критическая точка
3.2.4 Время расчта
3.2.5 Быстрый способ расчта.
3.2.6 Расчт радиуса эквивалентного тела вращения Иег
3.2.7 О точности определения эффективного радиуса Ксг
3.2.8 Повышение точности расчта в окрестности точки растекания .
3.2.9 Алгоритм расчта.
3.3 Расчты тепловых потоков на сфере по табличным параметрам
3.3.1 Проецирование поля параметров на треугольную сетку
3.3.2 Расчт тепловых потоков
3.3.3 Различие в результатах и времени расчта по полным линиям тока и быстрому способу
3.4 Расчты теплообмена по полям численного решения полученного на прямоугольной адаптивной сетке.
3.4.1 Сфера
3.4.2 Конус под углом атаки
3.4.3 Экспериментальный аппарат Х
3.4.4 Треугольное крыло
3.4.5 Космический корабль Союз.
Глава 4. Исследование теплообмена крылатого аппарата с пониженным тепловым воздействием на кромки крыльев
4.1 Концепции построения геометрии аппарата.
4.2 Анализ течения при разных углах атаки а.
4.2.1 Структура течения
4.2.2 Теплообмен.
4.2.3 Аэродинамическое качество
4.3 Пирамида с искривлнными боковыми гранями.
4.3.1 Геометрия
4.3.2 Структура течения
4.3.3 Теплообмен
4.3.4 Аэродинамическое качество.
4.4 Крылатый космический аппарат Клипер
Заключение
Литература


При этом у пользователя, как правило, нет возможности тонкой настройки сетки в местах предполагаемых особенностей течения - скачков уплотнения, волн разрежения, пограничных слоев. Это обстоятельство сказывается на точности получаемых результатов. Упомянутые выше программы могут быть эффективны при поисковых проектных работах, когда нужно оперативно получить результат для большого числа вариантов с достаточной для этого варианта точностью. В данной работе для расчётов полей течения, в основном, используется программа AeroShape3D. Навье-Стокса, но возможности вычислительных средств в КБ не позволяют в нужной степени разрешать пограничные слои, так как для этого необходимо очень большое количество расчётных ячеек. При недостатке расчётных ячеек для разрешения пограничного слоя, получаемое решение близко к невязкому полю обтекания. Таким образом, AeroShape3D можно применять для получения распределения газодинамических параметров на поверхности обтекаемого тела и считать их параметрами на внешней границе пограничного слоя. В проектных работах для оперативных инженерных оценок теплообмена наиболее предпочтителен подход использования методов локального подобия. В данной работе для расчёта теплового потока применяется метод эффективной длины, разработанный академиком B. C. Авдуевским [3, 4, , J. В этом методе в качестве геометрического параметра используется длина плоской пластины, пограничный слой на которой имеет те же характеристики, что и в интересуемом месте на поверхности исследуемого тела. Метод эффективной длины является удобным средством для оперативной оценки теплообмена на поверхности тел, обтекаемых сверхзвуковым потоком. Он был доработан и усовершенствован коллективом центра исследования тепломассообмена ЦНИИМаш [, , -, -]. В работах Б. А. Землянского развит метод осесимметричной аналогии для расчёта теплообмена методом эффективной длины на телах сложной геометрии с помощью криволинейных систем координат, связанных с геометрией поверхности обтекаемого тела [-]. Чаще всего используют цилиндрическую или сферическую систему координат, в зависимости от того, в какой системе удобнее расположить исследуемое тело [, ]. При этом поверхность должна однозначно задаваться в этих системах координат. Большие трудности возникают, если геометрия исследуемого тела далека от цилиндра или сферы, например, если оно не односвязное, имеет крылья или другие выступающие элементы. Приходится специальным образом корректировать и сопрягать дополнительные системы координат, что является достаточно трудоёмким процессом []. В.В. Лунёвым предложен метод среднемассовых величин, дополняющий метод эффективной длины, для учёта поперечной неоднородности во внешнем потоке. Одним из видов этого эффекта является образование высокоэнтропийного слоя у носовой части летательного аппарата большого удлинения [, -]. Развитые и модифицированные В. И. Власовым, Б. А. Горшковым, Р. В. Ковалёвым методы широко применяются при исследованиях аэродинамического нагрева гиперзвуковых летательных аппаратов, как для модели совершенного газа, так и для равновссио-диссоциирующего и химически неравновесного воздуха [, ]. Объектом исследования является процесс конвективного теплообмена на поверхности гиперзвуковых летательных аппаратов [4, , , , ]. Предметом исследования является математическая модель пограничного слоя, разработанная академиком B. C. Авдуевским (метод эффективной длины) [4, , , ]. При этом используются модели ламинарного и турбулентного пограничного слоя. Вопросы ламинарно-турбулентного перехода в работе не рассматриваются. Актуальность данной диссертационной работы состоит в важной практической потребности в удобном методе быстрых оценок тепловых потоков без существенных ограничений на геометрию исследуемых тел, что необходимо для определения тепловых нагрузок на элементы летательных аппаратов, планирования трубных экспериментов и осмысления их результатов. Невязкие газодинамические параметры при этом с целью снижения трудозатрат целесообразно получать из решения в программных комплексах с прямоугольной адаптивной сеткой [, ].