Проаналізовано ударнохвильові процеси, що виникають під час затікання нерозрахованого надзвукового струменя в порожнину зі змінною геометрією донної частини. Надано рекомендації щодо конфігурації донної частини резонатора з метою підвищення ефекту тепловиділення.

Ключ. слова: сопло, поток, полное давление, сверхзвук, акустика, излучение, пик, спектр.
Індекс рубрикатора НБУВ: В253.330.730.44

Рубрики:

Струмені. Швидкість надзвукова < Аеро- і газодинаміка >

Шифр НБУВ: Ж69254 Пошук видання у каталогах НБУВ 

В рамках упрощенной математической модели проведены расчетные оценки влияния турбулентного перемешивания на характеристики частиц в вязкой сверхзвуковой двухфазной струе, истекающей в затопленное пространство. В результате анализа расчетных данных можно заключить, что получение однородного высокоскоростного потока расплавленных частиц на расстояниях, превышающих длину основного участка турбулентной струи, проблематично.

Розглянуто взаємодію та вплив різних факторів і фізичних ефектів на плівкове охолодження: орієнтацію та форму отворів, протяжних вихорів, пульсацій потоку та їх вплив на вихорі, стисливості та змінюваності властивостей потоку, ударних хвиль, вхідного пристрою, трансзвукової течії в основному потоці. Розглянуто також вплив плівкового охолодження на втрати змішування.

Описаны расчетные модели течения в камерах смешения эжекторов при сверхзвуковом течении эжектирующего газа. Рассмотрены модель "узкого канала", балансовая модель и модель вязко-невязкого взаимодействия. В рамках последней модели течение в сверхзвуковой струе описано уравнениями невязкого течения, течение в дозвуковом эжектируемом потоке - уравнениями пограничного слоя. Для сращивания решений этих уравнений использованы полученные обобщенные уравнения вязко-невязкого взаимодействия. Для описания смешения использованы модели турбулентности Секундова, Лаудера - Сполдинга и Ментера. Приведены результаты расчетов с использованием модели "узкого канала" и балансовой модели, иллюстрирующие влияние отношения полных давлений и температур эжектирующего и эжектируемого потоков на коэффициент эжекции, степень разрежения во входном сечении, распределение давления вдоль камеры смешения и длину зоны смешения. В рамках модели вязко-невязкого взаимодействия определены параметры критической работы эжектора.

Сформулирован алгоритм решения упрощенных уравнений вязкого слоя для расчета турбулентного течения в канале при взаимодействии сверхзвуковой струи со спутным дозвуковым потоком. Составной частью алгоритма является метод глобальных итераций по давлению. На каждой итерации поле течения рассчитывается маршевым методом от начального сечения. Сравнение результатов решения тестовых задач с имеющимися в литературе результатами численных расчетов и экспериментальными данными подтверждает работоспособность алгоритма.

Построена математическая модель внутренней баллистики импульсного водомета в квазистационарной постановке. Для решения системы уравнений создан программный комплекс. Проведено моделирование параметров высокоскоростных струй с использованием комплекса.

Применены две системы координат для отсчета геометрических характеристик ударно-волновой структуры: одна от среза сопла, а вторая от псевдовходного сечения бочки для сопл, где в сечении среза имеет место радиальная составляющая скорости. Расчет параметров газа в сечениях бочки произведен с использованием одномерных уравнений газодинамики. Для учета неодномерности газа на срезе сопла введены обобщенные газодинамические функции. На основе гармонического изменения избыточного давления по длине бочки определено фазовое положение среза сопла с раструбом в бочке, что позволило связать принятые системы координат. На основе равенства числа Sh для движения волн и газа в поперечном и продольном направлениях бочки получены уравнения для определения основных геометрических характеристик. Дополнительное использование соотношений течения Прандтля - Майера позволило получить модели зарождения и местоположения скачка в бочке. Приведены результаты расчетов отклонений геометрических характеристик по моделям от многочисленных экспериментальных данных в интервале располагаемых перепадов на сопле от критического до 5000. Согласование хорошее.

Проведенные исследования позволяют распространить полуэмпирическую теорию расчета параметров газа в сверхзвуковом участке струи на случай истечения ее из сопла с раструбом. Теоретически получено для струи, истекающей из сопла с раструбом, математическое выражение коэффициента расхода газа через границу, отделяющую ядро от внешнего пограничного слоя. Использовано уравнение координат ударно-волновой структуры (УВС), служащее "каркасом" ядра струи при определении параметров газа в нем. Экспериментальные исследования УВС проведены на струях продуктов сгорания топлив "бензин-воздух", "керосин-кислород" с температурами рабочего тела 2100 - 3395 К. Установлена эмпирическая зависимость приведенного коэффициента расхода от степени нерасчетности сопла в виде полинома нулевой степени. Приведение проводилось с использованием чисел Рейнольдса характерных сечений ядра струи. Установлены особенности изменения коэффициента расхода при отрывных режимах течения газа в сопле.

Проанализированы особенности выбора эффективных конфигураций составных акустических концентраторов и получены соотношения для расчета их основных технических параметров. Показано, что метод симметрий позволяет найти новые профили концентраторов, обеспечивающие более высокую эффективность при усилении продольных колебаний в составе технологических ультразвуковых систем. Полученные результаты могут быть полезны при расчете акустических конструкций переменной жесткости, работающих в резонансных режимах.

Проанализированы влияния режимных параметров (полный перепад давлений, избыточный импульс, расход и др.) на изменение характеристик дутьевого потока (дальнобойности струи, присоединенной к струе массы газа из окружающей среды, и др.) в условиях истечения без эффекта обратной акустической связи из сопел с различными числами Маха и углами между образующей и осью расширяющейся части сопла. Получены соответствующие зависимости для затопленных (изотермических) струй, которые практически совпадают с экспериментальными данными. Приведены области режимов, нежелательные для практического использования при продувке сталеплавильной ванны.

Сформулирован маршевый алгоритм численного решения уравнений "вязкого слоя" (упрощенных уравнений Навье-Стокса, в которых опущены вторые производные по продольной координате, а в уравнении для радиальной компоненты скорости отброшены диссипативные слагаемые) для расчета турбулентного течения в многокомпонентной сверхзвуковой струе ракетного двигателя, истекающей в затопленное пространство или спутный дозвуковой поток воздуха. В рамках этого алгоритма система уравнений разбивается на две группы. К первой группе относятся уравнения для продольной составляющей импульса, энергии, переноса компонент газовой смеси и характеристик турбулентности. Это уравнения параболического типа и допускают решение маршевым методом по неявной абсолютно устойчивой итерационной схеме с применением скалярной прогонки. Во вторую группу включаются уравнение для радиальной составляющей импульса с опущенными диссипативными членами и уравнение неразрывности. При использовании уравнения состояния эти уравнения рассматриваются как уравнения относительно давления и поперечной составляющей вектора скорости. Сформулирован алгоритм для решения этой группы уравнений. В рамках этого алгоритма при решении уравнений второй группы для сеточных значений давления формируется система уравнений с трехдиагональной матрицей. Для этой системы формулируется краевая задача: на оси струи производная давления по радиальной координате равна нулю, на границе струи задано давление, равное давлению в затопленном пространстве или в спутном дозвуковом потоке. Решение этой задачи используется для определения давления в области сверхзвукового течения. Во внешней части струи с дозвуковым течением давление считается равным давлению в пространстве истечения. Для определения поперечной компоненты скорости в сверх- и дозвуковой части струи используется соотношение, которое получается при конечно-разностной аппроксимации уравнения неразрывности. Использование предложенного маршевого алгоритма при расчете истечения струи ракетного двигателя в затопленное пространство позволяет осуществить непрерывный переход от расчета неизобарического полностью сверхзвукового течения на выходе из сопла к дозвуковому течению в струе вплоть до ее полного перемешивания с воздухом в пространстве истечения. Для верификации алгоритма дано сравнение результатов расчета по предложенному алгоритму с экспериментальными данными.