![]() |
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИПМех РАН |
||
Исследование направлено на решение фундаментальной проблемы управления сверхзвуковым обтеканием тел, ударно-волновыми конфигурациями в сверхзвуковых течениях, а также распространением ударных и детонационных волн при помощи локализованных в малых областях энерговклада, газовых неоднородностей и иных воздействий для глобальной перестройки течения с целью улучшения аэродинамических характеристик летательных аппаратов, воздействия на движущиеся с высокими скоростями объекты, изменения режимов распространения, отражения и взаимодействия ударных волн с препятствиями, разработки новых методов ослабления разрушительного воздействия ударных и детонационных волн.
The study is aimed at solving the fundamental problem of controlling supersonic flow around bodies, shock-wave configurations in supersonic flows, as well as the propagation of shock and detonation waves using energy input localized in small regions, gas inhomogeneities and other influences for global flow restructuring in order to improve the aerodynamic characteristics of aircraft , impacts on objects moving at high speeds, changes in the modes of propagation, reflection and interaction of shock waves with obstacles, the development of new methods to weaken the destructive effects of shock and detonation waves. The main idea is that a properly applied local control action can lead to a global restructuring of the flow, the effect of which is many times greater than the cost of organizing the action itself. In terms of the impact on supersonic flow around bodies, studies on this topic were initiated by the project leader in the USSR in the mid-1980s and are currently being carried out by separate scientific groups in the USA, Great Britain, Germany, Japan, India, China and other countries. , which best characterizes the urgency of the problem. The scale and complexity of the problem is due to the need to use the approaches of computational gas dynamics, supersonic aerodynamics, gas dynamics and physics of shock and detonation waves, and chemical kinetics. In general, the novelty of the planned studies is determined by the following factors: 1. The originality and novelty of the formulation of specific problems in which for the control of supersonic flow around bodies, shock-wave configurations in supersonic flows, as well as the propagation of shock and detonation waves, space-localized influences are used, which lead to a global restructuring of flows; 2. The solution methodology that combines the problems of supersonic aerodynamics, physics of shock waves, chemical kinetics within the framework of computational and experimental approaches; 3. The possibility of using the expected results for the development of new technologies: improving the aerodynamic characteristics of aircraft; impact on moving objects at high speeds; changes in the modes of propagation, reflection and interaction of shock waves with obstacles; weakening the destructive effects of shock and detonation waves. The complexity of the problem is determined by the interconnection of the tasks set, united by the general idea of flow control using influences. During the implementation of the project, it is planned to conduct the following studies: 1. Numerical study of supersonic flow around bodies of various shapes (blunt and pointed) in the presence of energy sources localized in the incoming flow of different power and size for their different mutual arrangement, for plane, axisymmetric and three-dimensional configurations. 2. Numerical study of supersonic flow around bodies of various shapes (blunt and pointed) in the presence of inhomogeneities localized in the incoming flow - large-scale gas bubbles of different density, size, molecular weight and chemical composition for planar, axisymmetric and three-dimensional configurations. 3. Numerical study of the interaction of a shock wave with a longitudinal channel of a light gas and with gas bubbles of different molecular weight and chemical composition (including when they are located in front of an obstacle). 4. Numerical study of the propagation of detonation waves in channels in the presence of influences localized near the channel walls: a series of low-height barriers, small gas bubbles and thin layers of light or heavy non-reactive gases, and others. 5. Numerical and experimental study of the propagation and interaction of shock waves in the shock tube channel.
1. Результаты численного исследования сверхзвукового обтекания тел различной формы (затупленных и заостренных) при наличии локализованных в набегающем потоке энергоисточников различной мощности и размера для различного их взаимного расположения, для плоских, осесимметричных и трехмерных конфигураций. Проведен анализ развития газодинамического предвестника при взаимодействии головной ударной волны с тонким высокотемпературным следом, формирующимся в набегающем на тело потоке за областью энерговклада. Проведен анализ режимов формирования передних отрывных зон и их устойчивости при различных числах Маха набегающего потока. Найдены и обоснованы способы организации энерговклада для подавления развития мощных расходных пульсаций передних отрывных зон. Определена эффективность снижения сопротивления для различных случаев. Сформулированы физические критерии подобия для задачи о снижении волнового сопротивления тел. Обнаруженные эффекты могут быть использованы для разработки новых способов управления ударно-волновыми конфигурациями в сверхзвуковых течениях и снижения волнового сопротивления тел, обтекаемых сверхзвуковым потоком. 2. Результаты численного исследования сверхзвукового обтекания тел различной формы (затупленных и заостренных) при наличии локализованных в набегающем потоке неоднородностей – крупномасштабных газовых пузырей различной плотности, размера, молекулярного веса и химического состава для плоских, осесимметричных и трехмерных конфигураций. Проведен анализ явления фокусировки при взаимодействии головной ударной волны с газовыми пузырями для различных конфигураций взаимного расположения и параметров газа в пузыре. Проведен анализ эффектов формирования кумулятивных газовых струй и возникновения аномальных пиковых точечных нагрузок на поверхности тела, в том числе и с учетом возможности инициирования горения и детонации для случая реагирующих газовых пузырей. Определены количественные характеристики импульсного ударного воздействия на поверхность тела для различных случаев. Обнаруженные эффекты могут быть использованы для разработки новых способов воздействия на тела, движущиеся в атмосфере с высокими скоростями. 3. Результаты численного исследования взаимодействия ударной волны с продольным каналом легкого газа и с газовыми пузырями различного молекулярного веса и химического состава (в том числе, при их расположении перед препятствием). Проведен анализ особенностей развития газодинамического предвестника при взаимодействии ударной волны с тонким каналом (в том числе, для трехмерных конфигураций). Определены скорости роста предвестника в зависимости от времени для различных случаев. Проведен анализ эффектов фокусировки ударных волн и формирования кумулятивных струй при взаимодействии ударных волн с газовыми пузырями различного молекулярного веса (в том числе при их расположении перед препятствием). Проведен анализ особенностей формирования кумулятивных струй при инициировании детонации для случая пузыря, заполненного горючей газовой смесью. В контексте проекта исследование позволяет уточнить в «чистых» постановках особенности управления ударно-волновыми конфигурациями и отрывными течениями при сверхзвуковом обтекании тел (для задач 1 и 2). Полученные результаты могут быть использованы при разработке новых технологий изменения режимов распространения, отражения и взаимодействия ударных волн с препятствиями. 4. Результаты численного исследования распространения детонационных волн в каналах при наличии воздействий, локализованных вблизи стенок канала: серии барьеров малой высоты, газовых пузырей малого размера и тонких слоев легкого или тяжелого нереагирующего газов и других. Проведен анализ эволюции ударно-волновых структур при взаимодействия детонационных волн с локализованными вблизи стенок канала барьерами, газовыми пузырями и слоями нереагирующего газа. Проведен анализ эффектов подавления развития поперечных ударных волн в ячеистых детонационных структурах при взаимодействии с неоднородностями, локализованными вблизи стенок канала. Определены условия срыва и восстановления ячеистой детонации в горючих газовых смесях различного состава в зависимости от высоты и количества барьеров, размеров пузырей и толщины слоя нереагирующего газа, а также молекулярного веса нереагирующего газа. Полученные результаты могут быть использованы для разработки методов подавления детонации в технических устройствах различного назначения и производственных сооружениях. 5. Результаты численного и экспериментального исследования распространения и взаимодействия ударных волн в канале ударной трубы. Проведен анализ развития крупномасштабного предвестника (эффекта бифуркации) при взаимодействии отраженной ударной волны с неоднородностью – слоем пониженной плотности (или легкого газа) или пограничным слоем, сформированным падающей ударной волной на стенках канала или на тонкой игле, установленной перед сферой. Определены условия реализации эффекта ограничения высоты предвестника для случаев плоского и осесимметричного каналов конечной ширины. Проведен анализ квазистационарного (или пульсирующего) режимов сверхзвукового обтекания сферы при наличии твердой или «тепловой» иглы потоком за падающей ударной волной. Определены закономерности развития осесимметричных отрывных течений и ударно-волновых конфигураций при взаимодействии отраженной от сферы ударной волны с тонкой иглой или с тонким каналом пониженной плотности (или каналом легкого газа). Определены количественные характеристики взаимодействия, проведено сравнение экспериментальных и расчетных данных. Полученные результаты могут быть использованы при разработке новых технологий изменения режимов распространения, отражения и взаимодействия ударных волн с препятствиями.
1. Разработана программа для численного моделирования сверхзвукового обтекания тел при наличии в набегающем потоке областей стационарного или пульсирующего энерговклада и газовых неоднородностей. Предложен новый способ снижения волнового сопротивления тел за счет энерговклада в сверхзвуковой набегающий поток (пионерская работа, 1988). Сформулирована конценпция "тепловой иглы" об управлении обтеканием тел при помощи энерговклада в малой области. Обнаружены эффекты эффекты фокусировки, формирования кумулятивных струй и возникновения аномальных нагрузок при столкновении затупленных тел с газовыми пузырями. 2. Разработаны оригинальные программы для расчета течений с ударными и детонационными волнами. Обнаружены эффекты фокусировки при взаимодействии ударных волн с газовыми неоднородностями. Усьановлена возможность инициирования детонации в реагирующем газовом пузыре за счет эффектов фокусировки. 3. Разработана программа для численного моделирования плоских и осесимметричных течений многокомпонентных реагирующих газовых смесей при наличии детонационного горения. Решены задачи о распространении детонации в каналах с препятствиями и в сверхзвуковых потоках с учетом детальной кинетики протекания химических реакций с высоким разрешением ячеистой детонационной структуры. 4. Получены экспериментальные результаты по двойному маховскому отражению при дифракции ударной волны на клине и переходу к регулярным режимам отражения. Запланированные эксперименты будут выполнены в НИИ механики МГУ на ударной трубе «Квадрат» с рабочей частью квадратного сечения 100х100 мм. Характеристики установки в целом, а также комплексов измерений и визуализации позволяют решать самые различные задачи взаимодействия ударных волн с моделями.
грант РНФ |
# | Сроки | Название |
1 | 26 апреля 2021 г.-31 декабря 2021 г. | РНФ-21-11-00307 Управление сверхзвуковым обтеканием тел, ударно-волновыми конфигурациями в сверхзвуковых течениях, а также распространением ударных и детонационных волн при помощи локализованных в малых областях энерговклада, газовых неоднородностей и иных воздействий |
Результаты этапа: 1. Выполнено сравнительное численное исследование сверхзвукового обтекания затупленных и заостренных тел при наличии в набегающем потоке энергоисточников различной мощности и размера, локализованных на различном расстоянии перед телом для осесимметричных конфигураций. Установлены способы организации энерговклада для обеспечения значительного снижения локальных чисел Маха в следе, достаточного для развития передних отрывных зон для хорошо обтекаемых тел. Для хорошо обтекаемых тел обнаружены проблемы, препятствующие формированию обширных передних отрывных зон, охватывающих всю лобовую поверхность. Для тел сравнительно большого удлинения обнаружен специфический эффект «локализации», когда вместе с размерами энергоисточника (и толщиной следа) уменьшались и размеры отрывной зоны и, соответственно, исчезал эффект снижения волнового сопротивления. Для заостренных тел сравнительно малого удлинения, также как и для затупленных тел, наблюдалось развитие интенсивных расходных пульсаций передних отрывных зон. Для формирования глобальных квазистационарных передних отрывных зон предложено использовать метод динамической трансформации энергоисточника, предполагающий синхронное изменение в процессе расчета его интенсивности и поперечного размера при сохранении критерия подобия. При трансформации выигрыш в сопротивлении оставался постоянным, а эффективность увеличивалась обратно пропорционально квадрату поперечного размера области энерговклада. В расчетах для числа Маха набегающего потока 2 достигнуто снижение сопротивления 25-30% при коэффициенте эффективности более 150 (для затупленных тел) и 40 (для заостренных тел). Таким образом, установлена возможность использования «тепловой иглы» для снижения волнового сопротивления не только затупленных тел, но и хорошо обтекаемых заостренных тел. 2. Выполнено сравнительное численное исследование сверхзвукового обтекания тел различной формы (затупленных и заостренных) при наличии локализованных в набегающем потоке неоднородностей – крупномасштабных газовых пузырей различной плотности и размера. Установлено, что эффект возникновения аномальных всплесков давления в критической точке затупленного тела реализуется для газовых пузырей пониженной и повышенной плотности, имеющих размер порядка отхода головной ударной волны на критической линии тока. Для газовых пузырей пониженной плотности складывается аномальная ситуация, когда приосевая часть ударной волны ослабляется внутри газового пузыря. Соответственно на периферии течения за ударной волной формируется тороидальная зона повышенного давления, от которой распространяется усиливающаяся по мере приближения к оси симметрии волна сжатия, трансформирующаяся в тороидальную ударную волну, которая затем фокусируется с образованием тонких кумулятивных струй. Всплеск давления в критической точке тела обусловлен воздействием распространяющейся от искривленной задней границы газового пузыря ударной волны, усиленной в результате фокусировки тороидальной ударной волны на оси симметрии течения. Для газовых пузырей повышенной плотности периферийная часть головной ударной волны огибает пузырь, а ее фокусировка на оси симметрии также сопровождается формированием тонких сверхзвуковых кумулятивных струй. Кроме того, в течение короткого, но конечного промежутка времени реализуется аномальная ситуация, когда головная ударная волна вблизи оси симметрии имеет отрицательный наклон. В расчетах наблюдался прорыв сквозь косые скачки уплотнения высоконапорной порции газа, формирующей «газодинамический пробойник», распространяющийся со сверхзвуковой скоростью по направлению к телу. Установлено, что именно воздействием пробойника объясняются экстремально высокие (20-30 кратные) пиковые значения давления в критической точке тела, наблюдавшиеся в расчетах в отдельных случаях. Для случая присоединенной ударной волны перед заостренным телом при взаимодействии с газовым пузырем реализуется ожидаемый эффект локального изменения углов наклона присоединенной ударной волны внутри газового пузыря и, соответственно, параметров газа за ней. При этом эффекты аномального силового воздействия на поверхность тела не наблюдались. Для таких тел может оказаться существенным режим нецентрального столкновения, при котором возможно возникновение боковых усилий. Такого рода задачи запланированы на третий год проекта. 3. Проведено численное моделирование взаимодействия плоской ударной волны с тонким каналом газа пониженной плотности. Детально описаны три стадии развития формирующегося газодинамического предвестника - крупномасштабной ударно-волновой структуры, опережающей фронт исходной волны. Показано, что угол наклона боковой поверхности предвестника хорошо аппроксимируется простым алгебраическим соотношением в широком диапазоне определяющих параметров течения. Определена зависимость скорости роста предвестника от времени для различных чисел Маха исходной волны и плотностей газа в слое. Проведено численное моделирование взаимодействия ударной волны с газовыми пузырями различного молекулярного веса как свободными, так и расположенными перед твердой стенкой. Описана динамика преломления и фокусировки ударной волны при взаимодействии с пузырем, обнаружены два качественно различных режима фокусировки: внешний и внутренний. Для пузырей вблизи стенки обнаружено несколько качественно различных типов течения, включая предкумулятивный и посткумулятивный режимы падения преломленной волны на стенку, зависящие, в первую очередь, от расстояния между пузырем и стенкой. Определена зависимость импульсного ударно-волнового воздействия на стенку от интенсивности падающей волны, плотности газа в пузыре и расстояния до стенки. Во всех наблюдаемых случаях наличие пузыря у стенки многократно (в 2-10 раз) усиливает локальную ударно-волновую нагрузку на стенку по сравнению с падением невозмущенной ударной волны. Наибольший импульс давления наблюдается при непосредственном прилегании пузыря к стенке и превышении плотности газа в нем по сравнению с окружающим газом в 4.5 раза. 4. Проведено численное исследование распространения детонационных волн в каналах при наличии воздействий, локализованных вблизи стенок канала: серии барьеров малой высоты. Установлено, что детонационная волна гасится в результате взаимодействия с препятствиями, если их высота (при фиксированных значениях протяженности области и расстояния между барьерами) превышает некоторое критическое значение, зависящее от ширины канала. Определены условия срыва и восстановления ячеистой детонации в водородосодержащих смесях различного состава в зависимости от высоты и количества барьеров. В частности, установлено, что в случае протяженной области с барьерами, высота которых близка к критической, но меньше ее, в ряде случаев для гашения детонации в водородно-воздушной смеси достаточно увеличить количество препятствий при прочих постоянных параметрах. С другой стороны, добавление озона в водородно-воздушную смесь приводит к увеличению критической высоты барьеров, что может использоваться для предотвращения срыва детонации. Установлено, что при заполнении пространства между барьерами воздухом усиливается подавление поперечных волн в ячеистых детонационных структурах в области барьеров. Определены особенности распространения детонационных волн в каналах при наличии серий барьеров малой высоты для стехиометрической водородно-воздушной смеси. В частности, полученный в расчетах характер реинициирования детонации после прохождения серии барьеров соответствует наблюдаемому в экспериментах для смесей с нерегулярной ячеистой структурой. 5.1 Выполнены экспериментальные исследования по взаимодействию падающей ударной волны и сверхзвукового потока за ней с моделью в виде затупленного по сфере цилиндра с выступающей тонкой иглой. Получены фотографии различных стадий процесса взаимодействия падающей и отраженной ударных волн с пограничным слоем на тонкой игле. Основным определяющим параметром задачи, который изменялся в экспериментах было число Маха падающей ударной волны. Эксперименты проводились в газах с различным показателем адиабаты (воздух, углекислый газ, гексафторид серы). В зависимости от определяющих параметров задачи определены: скорость роста крупномасштабного конического предвестника, время установления квазистационарного режима течения с обширной передней отрывной зоной, место локализации отрывной зоны на игле. Установлена аналогия течений с отрывной зоной, которая развивается при взаимодействии головной ударной волны на сфере с пограничным слоем на тонкой игле и с тепловым следом за областью энерговклада – «тепловой иглой» (п.1 проекта). 5.2 Выполнено численное исследование различных режимов отрицательного двойного маховского отражения при дифракции ударной волны на клине при наличии тонкого слоя пониженной или повышенной плотности вблизи поверхности клина. В некотором диапазоне основных определяющих параметров задачи (показателя адиабаты газа, числа Маха падающей ударной волны и угла клина) обнаружен качественно новый автомодельный режим «многократного маховского отражения» с четырьмя или пятью тройными конфигурациями. Установлено, что возникновение четвертой и пятой трехударных конфигураций в «верхней» части течения (то есть над контактным разрывом) связано с увеличением интенсивности возвратной струи и, соответственно, вихря при изменении угла клина. Показано, что при увеличении угла клина последовательно реализуются режимы двойного, тройного и многократного маховского отражения, а затем осуществляется переход к регулярному отражению. При увеличении угла клина режим многократного отражения сохраняется вплоть до перехода к регулярному отражению. При этом на завершающей стадии переход происходит резко, так что зависимость углов наклона траекторий движения тройных точек от угла клина имеет вертикальные касательные в точке перехода. Кроме того, отмечено подобие газодинамических структур при приближении к критическому углу перехода. Показано, что при наличии тонкого слоя вблизи поверхности клина на достаточном удалении от его носка, когда толщина слоя становится малой по сравнению с размерами области взаимодействия, формируется асимптотически автомодельная ударно-волновая структура, существенным образом отличающаяся от случая газа постоянной плотности. Установлено, что при взаимодействии маховской ножки с тонким слоем газа пониженной плотности (или слоем легкого газа) реализуется «соревнование» эффектов возникновения крупномасштабного предвестника и эффекта маховского отражения. Вблизи поверхности клина усиливается возвратное течение, формируется убегающая по слою косая ударная волна, высота которой естественным образом ограничивается высотой маховской ножки. При взаимодействии маховской ножки с тонким слоем газа повышенной плотности (или слоем тяжелого газа), напротив, наблюдается эффект ослабления возвратного течения вблизи поверхности клина и постепенного выпрямления маховской ножки по мере увеличения плотности в слое. Отношение плотностей в слое и в окружающем газе существенно влияет на течение в области взаимодействия падающей ударной волны с поверхностью. Подбирая отношение плотностей, можно добиваться усиления или ослабления действия возвратной струи, выпрямления маховской ножки, исчезновения «дополнительных» трехударных конфигураций над тангенциальным разрывом. Таким образом, изменение плотности в очень тонком приповерхностном слое позволяет управлять конфигурацией всего течения в области взаимодействия падающей ударной волны с поверхностью. | ||
2 | 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. | РНФ-21-11-00307 Управление сверхзвуковым обтеканием тел, ударно-волновыми конфигурациями в сверхзвуковых течениях, а также распространением ударных и детонационных волн при помощи локализованных в малых областях энерговклада, газовых неоднородностей и иных воздействий |
Результаты этапа: 1. Выполнено исследование сверхзвукового обтекания тел при наличии локализованных в набегающем потоке энергоисточников. Сформулирован универсальный критерий эквивалентности, обеспечивающий формирование за энергоисточником высокотемпературного следа с заданной температурой. С физической точки зрения условие означает, что жидкая частица за время движения через область энерговклада получает примерно одинаковое количество тепла. Установлено, что при выполнении критерия совпадают распределения в поперечном направлении плотности и относительного числа Маха в сформировавшемся высокотемпературном следе. Показано, что, несмотря на существенно различающиеся в целом картины течения, при выполнении критерия для различных чисел Маха формируются квазистационарные отрывные зоны перед обтекаемым телом примерно одинаковой геометрической формы. Показано и проверено в численных расчетах, что коэффициент эффективности снижения сопротивления (определяется как отношение сэкономленной мощности к вложенной) пропорционален числу Маха в квадрате и обратно пропорционален поперечному линейному размеру области энерговклада в квадрате. Теоретически при уменьшении поперечных размеров области энерговклада с соблюдением универсального критерия эквивалентности форма отрывной зоны стремится к конусу с малым затуплением, угол раствора которого не зависит от числа Маха набегающего потока, и при этом уменьшение волнового сопротивления в процентном отношении остается постоянным, а эффективность энерговклада стремится к бесконечности. Полученные результаты актуальны для разработки основанных на новых физических принципах методов управления течениями с целью улучшения аэродинамических характеристик летательных аппаратов. 2. Выполнено исследование сверхзвукового обтекания тел при наличии локализованных в набегающем потоке неоднородностей. Реализованы различные постановки задач в зависимости от типа неоднородности: газовый пузырь пониженной плотности; облако газа с гауссовским распределением плотности, что соответствует легкой аэрозоли или долгоживущему плазменному образованию; включение энергоисточника с гауссовским законом распределения удельной мощности по пространству в течение импульса некоторой длительности, что соответствует электрическому разряду; мгновенный энерговклад с гауссовским распределением по пространству, что соответствует лазерному пробою; мгновенное и равномерное повышение давления внутри газового пузыря, что соответствует детонации газового пузыря при взрыве. По сути, во всех описанных случаях так или иначе формируется высокотемпературное облако, взаимодействующее с головной ударной волной перед телом. При этом во многих расчетах наблюдался кумулятивный эффект аномального всплеска давления в критической точке тела, который обусловлен формированием струй при фокусировке вторичной тороидальной ударной волны, сходящейся к оси симметрии. При энерговкладе или взрыве предварительно формировалась взрывная волна, воздействующая на тело. При мгновенном взрыве в газовом пузыре в расчетах отмечен эффект перерасширения, когда в центральной области взрыва происходит образование каверны, которая затем схлопывается с достижением экстремально высоких параметров по давлению и плотности. Полученные результаты могут быть использованы при разработке методов воздействия на тела, движущиеся в атмосфере со сверхзвуковыми скоростями. 3. Описана газодинамика преломления и фокусировки ударной волны при взаимодействии с газовыми пузырями повышенного молекулярного веса вблизи твердой стенки в плоской и осесимметричной постановках. Обнаружены два качественно различных режима фокусировки, зависящих от формы пузыря. В первом случае, реализующемся для круглых и вытянутых пузырей, огибающая пузырь снаружи ударная волна успевает отразиться от стенки, а её выпуклый участок, движущийся вдоль стенки – сфокусироваться в невозмущенном газе на оси или плоскости симметрии до прихода на стенку продольной волны в пузыре. Во втором случае, имеющем место для сплюснутых пузырей, продольная волна в пузыре отражается от стенки и предварительно сжимает газ до прихода поперечных волн к центру стенки. Определены параметры пузыря – степень удлинения пузыря вдоль направления падения волны и форма контакта пузыря со стенкой – для максимизации и минимизации воздействия на стенку. Показано, что наибольший импульс давления как в центральной точке, так и осредненный по небольшой площадке, достигается при отношении продольной полуоси пузыря к поперечной, равном 0.8, когда реализуется наиболее интенсивная фокусировка поперечных волн в предварительно сжатом при отражении продольной волны газе вблизи стенки. В целом эффект импульсного повышения давления и температуры в процессе фокусировки ударной волны вблизи стенки более выражен, чем в случае свободно расположенных пузырей. 4. Проведено численное моделирование распространения ячеистой детонации в водородно-воздушной смеси (с использованием детализированной кинетики) в плоском канале при её инициировании сверхкритическим энерговкладом (соответствующим электрическому разряду) у закрытого конца канала. Выполнен анализ воздействия множественных барьеров малой высоты, локализованных вблизи одной из стенок, на распространение детонации. Барьеры могут выступать наружу из стенки канала или быть расположены внутри ниши в стенке, а промежутки между ними могут быть заполнены нереагирующим газом (воздухом или инертным газом). В целом сохранение или подавление детонации при взаимодействии с барьерами и слоем нереагирующего газа определяется конкуренцией двух противоположных процессов: подавлением поперечных волн на барьерах и в слое газа и зарождением новых из локальных возмущений в зоне реакции. Показано, что при прочих равных условиях наличие нереагирующего газового слоя сильнее ослабляет поперечные волны, способствуя тем самым разрушению детонации, и при этом воздух оказывается эффективнее, чем тяжелый аргон. Вообще, уменьшение молярной массы и увеличение толщины локализованного у стенки канала слоя нереагирующего газа способствуют подавлению детонационного горения смеси, поскольку чем тяжелее газ, тем сильнее проявляется для него эффект отражения. Для практических приложений важно, что для серии барьеров, заглубленных в нишу на стенке, упомянутые эффекты подавления детонации также проявляются, а сделанные выводы относительно заполнения пространства между барьерами нереагирующим газом остаются справедливыми. 5. Проведена модернизация ударной трубы «Квадрат» (смонтирован новый быстродействующий пневматический клапан КБ-80-100-Ф-УТ, рассчитанный на рабочее давление 100 атм) с целью расширения в большую сторону диапазона скоростей падающей ударной волны и, соответственно, скорости сверхзвукового потока за ней. Выполнена серия экспериментов по взаимодействию падающей ударной волны с пограничным слоем на тонкой игле, установленной навстречу ударной волне у торца трубы и перед затупленным по сфере цилиндром диаметром. В результате взаимодействия отраженной от торца трубы или сферы ударной волны с осесимметричным пограничным слоем на тонкой игле осуществляется процесс формирования конической бифуркационной зоны отрывного течения. Для случая торца трубы анализировался нестационарный процесс роста отрывного течения, а для сферы – процесс установления сверхзвукового обтекания тела с иглой. Выполнено численное моделирование для задачи о взаимодействии падающей ударной волны «с тепловой иглой» (тонким каналом газа пониженной плотности конечной длины), расположенной на оси симметрии ударной трубы перед ее торцом или сферой. Определены нестационарные характеристики конического предвестника и возвратного течения за ним, формирующихся при взаимодействии падающей ударной волны с тепловой иглой. Выполнен анализ особенностей отражения падающей ударной волны и предвестника от торца ударной трубы, а для случая сферы – дифракции ударной волны и последующего установления стационарного обтекания сферы сверхзвуковым потоком за ударной волной. | ||
3 | 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. | РНФ-21-11-00307 Управление сверхзвуковым обтеканием тел, ударно-волновыми конфигурациями в сверхзвуковых течениях, а также распространением ударных и детонационных волн при помощи локализованных в малых областях энерговклада, газовых неоднородностей и иных воздействий |
Результаты этапа: 1. Результаты численного исследования сверхзвукового обтекания тел при наличии локализованных в набегающем потоке энергоисточников, работающих в импульсно-периодическом режиме. Определены условия реализации квазистационарных режимов течения для различных чисел Маха набегающего потока. Для повышенных частот наблюдалось развитие квазинепрерывного высокотемпературного следа с небольшими осцилляциями параметров около стационарных значений, а на периферии формировалась квазистационарная косая ударная волна. Для пониженных частот, наблюдалось развитие пульсирующего следа, состоящего из отдельных фрагментов, при этом каждый импульс порождал отдельную расходящуюся ударную волну. Показано, что в обоих случаях (для квазинепрерывного и пульсирующего высокотемпературного следа), динамика формирования передних отрывных зон согласуется с результатами, полученными при включении в набегающем на тело потоке стационарного энергоисточника. Ранее для стационарного энерговклада в слое смешения на границе отрывной зоны, обтекаемой сверхзвуковым потоком, наблюдалось развитие неустойчивости Кельвина-Гельмгольца, которая проявляется в формировании вихревых структур. Для импульсно-периодического энерговклада отмечен новый эффект дробления вихревых структур при увеличении частоты, поскольку длительность периода навязывает «вынужденный» масштаб времени для развития неустойчивости. Полученные результаты актуальны для разработки основанных на новых физических принципах методов управления течениями с целью улучшения аэродинамических характеристик летательных аппаратов. 2. Результаты численного исследования сверхзвукового обтекания тела при взрыве газового пузыря, расположенного в набегающем потоке на различных расстояниях перед телом. Особенностью задачи является наличие плотного слоя сразу за ударной волной, распространяющейся от области взрыва и высокотемпературной каверны внутри. Взаимодействие головной ударной волны с динамически изменяющейся областью взрыва существенно зависит от расстояния от центра взрыва до тела. Наблюдалось «соревнование» эффектов фокусировки Гудерлея-Станюковича за счет «перерасширения» при распределенном взрыве с противодавлением, и эффектов фокусировки и кумуляции, характерных для взаимодействия головной ударной волны с газовым пузырем повышенной и пониженной плотности. Во многих случаях отмечены эффекты многократного повышения давления на поверхности тела: первый пик соответствует ударной волне, распространяющейся от области взрыва, а последующие (аномальные) обусловлены эффектами фокусировки и кумуляции. При «двойном ударном воздействии» последующие (аномальные) пики по импульсному давлению (интегралу от избыточного давления по времени) могут превосходить первоначальный. Полученные результаты актуальны для разработки новых способов воздействия на тела, движущиеся в атмосфере с высокими скоростями. 3. Результаты численного исследования взаимодействия ударной волны с реагирующими (заполненными горючей газовой смесью) пузырями, локализованными вблизи твердой стенки. Определены режимы инициирования детонации в зависимости от числа Маха падающей волны и формы пузыря: прямое инициирование при прохождении ударной волны в пузырь, инициирование за счет усиления ударной волны при ее отражении от стенки, инициирование при преломлении внутренних волн в пузыре и при фокусировке вторичных ударных волн плоскости симметрии. Проведены параметрические исследования для определения критических значений чисел Маха падающей ударной волны, разделяющих различные режимы инициирования. Установлено, что для всех рассмотренных форм пузырей наличие стенки снижает пороговое число Маха – наименьшую интенсивность волны, при которой инициируется детонация. Полученные результаты могут быть использованы при разработке способов инициирования детонации в горючих газовых смесях падающими ударными волнами с подкритическими (то есть недостаточными для прямого инициирования) значениями чисел Маха. 4. Результаты численного исследования взаимодействия ячеистой волны детонации, распространяющейся в заполненном покоящейся стехиометрической водородно-воздушной смесью плоском канале, при наличии вблизи стенок слоев нереагирующего газа (воздуха, аргона, гелия) или серии барьеров малой высоты, области между которыми заполнены нереагирующим газом. Рассматривалось взаимодействие сформированной ячеистой волны с расположенным вдоль стенки канала слоем нереагирующего газа (воздуха, аргона, гелия), ограниченным с обеих сторон одиночными барьерами. Наличие слоя воздуха приводит к ослаблению подходящих к нему поперечных волн, а увеличение его протяженности или высоты усиливают разрушающее воздействие слоя на волну. В ряде случаев установлено, что использование воздушного слоя для гашения детонационного горения более эффективно по сравнению с множественными барьерами той же высоты, заполняющими область слоя. Замена воздуха аргоном при прочих равных условиях усиливает отражение поперечных волн от слоя (за счет его более высокой плотности), что не способствует гашению детонации. При использовании гелия наблюдаются качественные изменения структуры течения. В этом случае в слое формируется «предвестник» -- ударная волна, которая опережает волну детонации в горючей смеси, сопрягаясь с ней через косую ударную волну (за которой нет горения). Высота структуры «предвестника» увеличивается по закону, близкому к линейному, что приводит к сужению области детонационного горения, волна детонации становится пересжатой, ее скорость возрастает, ячеистая структура измельчается. Далее, на некотором расстоянии от конца слоя наблюдалось реинициирование детонации во всем сечении канала. Рассматривался случай множественных барьеров при заполнении пространства между ними нереагирующим газом. Установлено, что заполнение воздухом или аргоном способствует гашению детонации. Полученные результаты могут быть использованы для разработки новых технологий подавления детонации в технических устройствах различного назначения и производственных сооружениях. 5. Результаты экспериментов на ударной трубе «Квадрат» по изучению взаимодействия ударных волн с пограничным слоем на тонкой игле и «воздушной иглой» (каналом легкого газа). Для ударной трубы «Квадрат» разработана система впрыска газа навстречу падающей ударной волне, состоящая из источника сжатого газа, быстродействующего пневмоклапана, форсунки на основе микросопла, системы питания / запуска клапана и системы управления. Силами коллектива были спроектированы и изготовлены электронные блоки питания и запуска клапана, а также блок синхронизации. Настроена система визуализации процесса взаимодействия «воздушной иглы» с падающей ударной волной на основе высокоскоростной камеры. Получены результаты по формированию области конического «предвестника» при взаимодействии падающей ударной волны с воздушной струей легкого газа (гелия). Продолжена серия экспериментов по взаимодействию отраженной ударной волны с пограничным слоем на тонкой игле, установленной навстречу падающей ударной волне (и набегающему потоку за ней) перед затупленным по сфере цилиндром диаметром 25 мм. В экспериментах варьировалась длина иглы (25 мм, 50 мм, 75 мм), диаметр иглы 1 мм, использовались иглы с различной шероховатостью (обычная и полированная сталь). В зависимости от длины иглы различаются размеры отрывной зоны, в отдельных случаях зафиксированы пульсации отрывной зоны, характерные для сверхзвукового обтекания сферы с иглой. Выполнено численное моделирование для задачи о развитии конической отрывной зоны при сверхзвуковом обтекании сферы при наличии высокотемпературного следа перед ней. Температура в следе выбиралась исходя из условия одинакового дефекта полного давления в следе и в пограничном слое. В расчетах получены отрывные зоны с тем же углом раствора, что и в экспериментах, и, тем самым, экспериментально проверена гипотеза об эквивалентности высокотемпературного следа и пограничного слоя с точки зрения формирования передних отрывных зон. |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".