Численное моделирование теплового и эрозионного воздействия сверхзвукового запыленного потока на обтекаемое тело

• Автор: Способин, Андрей Витальевич
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 116 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1 Подходы к математическому моделированию гетерогенных потоков
1.2 Математическое моделирование обтекания преграды запыленным потоком
1.3 Математические модели эрозионного разрушения
2 ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ
2.1 Математическая модель динамики дисперсной фазы
2.2 Численное исследование обтекания тел запыленным потоком
Выводы к главе
3 ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВУХФАЗНОГО УДАРНОГО СЛОЯ
3.1 Математическая модель двухфазного ударного слоя
3.2 Численное исследование теплового и динамического воздействия двухфазного
потока на поверхность преграды
Выводы к главе
4 ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОЭРОЗИОННОГО РАЗРУШЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ
4.1 Математическая модель тепломассопереноса в разрушающемся теле
4.2 Численное исследование эрозионного разрушения преграды при обтекании
запыленным потоком
Выводы к главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ВВЕДЕНИЕ

Диссертация посвящена вопросам численного моделирования обтекания тел сверхзвуковым газовым потоком с примесью частиц. Представлена комплексная математическая модель, включающая модель двухфазного течения в ударном слое и модель тепломассопереноса в разрушающемся теле. Выполнено численное исследование воздействия дисперсной фазы на обтекаемую поверхность и характеристики ударного слоя, разрушения материалов в двухфазном потоке.
Актуальность темы.
Изучение воздействия сверхзвукового потока газа с примесью частиц на обтекаемую поверхность представляет большой интерес для задач аэродинамики летательных аппаратов, в частности, преодоления участков с различными естественными и искусственными образованиями, конструирования ракетных двигателей, задач резки материалов и нанесения покрытий. В то же время, мощность современных вычислительных систем позволяет осуществить численное моделирование двухфазного потока с учетом неоднородности примеси, взаимодействия частиц между собой, воздействия примеси на течение несущей фазы и поверхность находящегося в потоке тела, изменения формы тела. Разработка комплекса алгоритмов численного моделирования эрозионного разрушения материалов в запыленных потоках с учетом обозначенных факторов представляет большой практический интерес, что обусловлено высокой сложностью получения и анализа результатов при проведении натурных экспериментов.
Цель работы.
1. Анализ современных подходов к численному моделированию
двухфазных потоков и эрозионного разрушения тел.

2. Построение математической модели динамики двухфазного ударного слоя и комплексной модели теплового и эрозионного воздействия запыленных потоков на обтекаемую поверхность.
3. Разработка алгоритмов численного моделирования обтекания тел двухфазным потоком с учетом взаимного влияния ряда разнородных факторов - воздействия дисперсной фазы на картину течения и на обтекаемую поверхность, теплопереноса и эрозионного разрушения теплозащитного материала, изменения формы обтекаемого тела вследствие уноса массы и его влияния на течение в ударном слое.
4. Реализация моделей и алгоритмов в виде комплекса программ.
5. Численное исследование воздействия дисперсной фазы на обтекаемую поверхность и характеристики ударного слоя, разрушения материалов в двухфазном потоке.
Научная новизна.
Построена комплексная математическая модель теплового и эрозионного воздействия сверхзвукового запыленного потока на обтекаемое тело, в состав которой входят модифицированная модель теплопереноса и эрозионного разрушения преграды и модель двухфазного ударного слоя, основанная на сопряжении моделей динамики дисперсной фазы и газовой динамики ударного слоя.
Разработаны алгоритмы прямого численного моделирования движения примеси в ударном слое с учетом отражения частиц от преград, их закрутки и соударений друг с другом, решения уравнений газовой динамики ударного слоя с учетом обратного влияния примеси, моделирования разрушения поверхности преград под воздействием двухфазного потока.
На основе разработанной модели выполнена оценка значимости учета вращения частиц и их столкновений друг с другом с точки зрения воздействия дисперсной фазы на поверхность обтекаемого тела. Осуществлено детальное изучение механизмов усиления теплообмена на
Коэффициент сш = ст(Яер,Яею) сочетает теоретическое решение [18] с результатами экспериментов [106]:

0.45-

СО V

ехр(- 0.05684 Яе“'4Яе°-3), >
щ «о Р „
а коэффициент с, = с1 (Яе ) заимствован из [20]: 64л
ч(Яею)
Яе„ <

12.9 128.4 „

где Мр - число Маха, Ыер, Яега - числа Рейнольдса для относительного поступательного и вращательного движения соответственно:

2гррк-у.
4гр2р

г л/уТ ’
где Я - газовая постоянная, у - показатель адиабаты, Т - температура газа, р8 - коэффициент вязкости газа, определяемый соотношением Сатерленда:
Т V'5 Т* +110

, ц* = 1.7894 -10~5 , Т =288.15 К.

Температура частицы изменяется вследствие теплообмена с газовой фазой и излучения:
аТР А
Сртр = С1с+4г>
где ср - удельная теплоемкость материала частицы, Тр - средняя по объему температура частицы, цс - конвективный тепловой поток от газовой фазы к частице, цг - радиационный тепловой поток: