Автореферат - Институт теоретической и

На правах рукописи
Кавун Иван Николаевич
ИССЛЕДОВАНИЕ ПУЛЬСАЦИОННОГО РЕЖИМА ТЕЧЕНИЯ
ВБЛИЗИ ТЕЛА С ИГЛОЙ ПРИ БОЛЬШОЙ СВЕРХЗВУКОВОЙ
СКОРОСТИ ПОТОКА
01.02.05 – механика жидкости, газа и плазмы
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
Новосибирск 2009
Работа выполнена в Институте теоретической и прикладной механики
им. С.А. Христиановича Сибирского отделения РАН
Научный руководитель:
доктор технических наук, старший научный сотрудник
Запрягаев В.И.
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Усков В. Н.
доктор физико-математических наук, с.н.с. Миронов С. Г.
Ведущая организация:
Институт математического моделирования РАН, г. Москва.
Защита состоится «30 » октября 2009 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д003.035.02 по присуждению ученой степени доктора
физико-математических наук при Институте теоретической и прикладной
механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения РАН по адресу:
630090, Новосибирск 90, ул. Институтская, 4/1.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИТПМ СО РАН.
Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью, просим высылать по адресу: 630090, г. Новосибирск, Институтская, 4/1, ИТПМ
СО РАН, ученому секретарю диссертационного совета Д003.035.02.
Автореферат разослан «
2009 г.
»
Ученый секретарь
диссертационного совета,
д.т.н.
Засыпкин И.М.
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Первоначальный практический интерес к
конфигурации головной части в виде затупленного тела с иглой был обусловлен задачей управления лобовым сопротивлением, тепловыми потоками и положением центра давления сверхзвукового летательного аппарата.
Позднее было обнаружено, что при некоторых геометрических и газодинамических параметрах может реализоваться пульсирующее осесимметричное течение с передней зоной отрыва. При этом уровень пульсаций может
достигать величины скоростного напора и выше, что может привести к повышению уровня вибрационных нагрузок на конструкцию летательного
аппарата и бортовое оборудование. В то же время, физический механизм
интенсивных автоколебаний до сих пор окончательно не выяснен, а уровни
пульсаций давления на поверхности модели, приведенные в различных работах для сходных конфигураций, различаются.
В работе исследован один из возможных режимов автоколебательного течения с передней зоной отрыва − пульсационный. Пульсации потока на
такой конфигурации впервые обнаружены Майром [1] в 1952 г.
Цель работы заключается в экспериментальном и численном исследовании пульсационного режима течения на теле в виде цилиндра с иглой
при числе Маха набегающего потока М = 6. Требуется определить влияние
длины и угла конуса иглы на характер пульсаций, выявить структуру течения в передней отрывной области, прояснить причины и процесс формирования зоны отрыва, а также уточнить механизм установления автоколебаний.
Для проведения этой работы требуется разработать методику экспериментального исследования быстропротекающих квазипериодических (т.е.
процессов, длительность циклов которых несколько меняется от цикла к
циклу, при этом среднее значение длительности циклов остается неизменным с течением длительного промежутка времени) процессов.
Научная новизна работы.
1. Получены статистические данные о влиянии длины и угла конуса
иглы на режим пульсаций, возникающих при обтекании цилиндра с установленной на его торце иглой сверхзвуковым потоком газа с М = 6.
2. Экспериментально обнаружена автоколебательная мода пульсаций,
при которой существуют циклы как соответствующие частоте максимума
главной гармоники в спектре, так и циклы с удвоенной длительностью.
3. Уточнен процесс образования передней отрывной области, выявлены два механизма формирования встречного течения в отрывной зоне:
первый обусловлен отрывом пограничного слоя на поверхности иглы под
воздействием ударных волн, второй − неоднородным распределением давления вблизи торца цилиндра, которое возникает благодаря разной величине
3
потерь полного давления потока за различными участками головной ударной волны, движущейся к торцу цилиндра.
4. Экспериментально и численно подтверждено наличие сложной неоднородной структуры течения в передней отрывной зоне, показано существование ударных волн и двух локальных областей сверхзвукового течения в зоне отрыва для некоторых фаз автоколебательного процесса.
Достоверность результатов обеспечена:
1. результатами эксперимента в двух аэродинамических трубах − Т-313
и Т-326 ИТПМ СО РАН при различных числах Рейнольдса и уровнях
естественных возмущений набегающего потока;
2. использованием трех типов датчиков двух различных принципов работы
(тензодатчик и пьезодатчики);
3. калибровки датчиков при помощи нагружения статическим давлением
(тензодатчик) и на ударном стенде (все типы датчиков);
4. проведением многократных испытаний одной конфигурации;
5. соответствием экспериментальных и расчетных данных.
Научная и практическая ценность результатов работы.
1. Разработана и реализована методика экспериментального исследования быстропротекающих квазипериодических процессов, включающая
в себя:
− автоматизированную систему сбора данных, предназначенную для исследования быстропротекающих квазипериодических процессов; методика позволяет провести совместное исследование данных визуализации течения и локального измеряемого параметра (пульсаций пристенного давления).
− методику обработки экспериментальных данных, позволяющую исследовать развитие квазипериодического процесса во времени: установить
последовательность смены фаз и их длительность, а также получить
статистические данные о циклах автоколебаний.
2. Полученные на основании результатов разработанной методики
данные позволили выявить структуру течения в передней отрывной области, уточнить процесс формирования встречного течения и механизм установления пульсаций при сверхзвуковом обтекании затупленного тела
с иглой.
На защиту выносятся:
1. результаты исследования пульсационного режима течения вблизи
тела с иглой при числе Маха набегающего потока М = 6;
2. методика экспериментального исследования быстропротекающих
квазипериодических процессов.
Апробация результатов. Результаты работы представлялись на семинаре академика В.М.Фомина в ИТПМ им. С.А, Христиановича СО РАН
и конференциях: «Устойчивость и турбулентность течений гомогенных и
4
гетерогенных жидкостей», 2004, 2005; «Вычислительный эксперимент в
аэроакустике», 2006; Всероссийском семинаре по струйным, отрывным и
нестационарным течениям, 2007; International Conference on the Methods of
Aerophysical Research (ICMAR), 2004, 2007, 2008; East West High Speed
Flow Field Conference (EWHSFF), 2005, 2007; International Shock Interaction
Symposium (ISIS), 2008.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, трех
глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации 217 страниц,
102 рисунка. Список литературы содержит 114 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
1-я глава − выполнен обзор литературы по данной задаче, рассмотрено современное состояние вопроса, сделан вывод об актуальности исследования автоколебательного течения с передней отрывной областью.
При сверхзвуковом обтекании затупленного тела с иглой, согласно
данным работы Вуда ([2], 1962 г.), может реализоваться пять различных
типов обтекания, из них один − нестационарный. Зависимость структуры
течения вблизи головной части модели от ее геометрии дополнена в 1966 г.
Холденом [3], где введен еще один нестационарный режим. Первый нестационарный режим называется "пульсационным" ("pulsations", в отечественной литературе также называется режимом автоколебаний II-го рода), второй − "колебательным" ("oscillations", режим I-го рода).
В диссертации исследован только один режим течения − пульсационный (II-го рода). Такой режим характеризуется периодическим возникновением, а затем исчезновением передней отрывной области, причем структура
течения за время автоколебательного цикла существенно меняется. Режим
также характеризуется высокими частотой автоколебаний и уровнем пульсаций давления в зоне отрыва, что вызывает научный и практический интерес к данной задаче. Кроме того, у данного течения обнаружены моды −
вращательная (согласно данным Деметриадеса и Хопкинса [4]) и апериодическая (данные Запрягаева и Миронова [5]).
В главе рассмотрены семь различных физических моделей (Маулла
[6], Антонова с соавторами [7], Панараса [8], Каларезе и Хэнки [9], Запрягаева и Миронова [5]. Глотова [10], Бабарыкина с соавторами [11]), описывающих механизм возникновения и основные фазы развития во времени
автоколебательного процесса. Такое значительное разнообразие во взглядах указывает на недостаток данных по рассматриваемому вопросу, на основании чего делается вывод об актуальности дальнейших исследований, а
также ставятся цели проведения настоящей работы.
5
2-я глава − методическая. Описана методика проведения экспериментального и численного исследования сверхзвукового пульсационного
течения с передней отрывной областью на цилиндре с иглой.
Эксперимент проведен в аэродинамических трубах Т-313 и Т-326
ИТПМ СО РАН. Число Маха набегающего потока М = 6. Исследуемые модели (рис. 1) представляют собой цилиндр с установленной на его торце
иглой. Полуугол раствора конуса иглы равен  = 10° (острая игла), 45°, 90°
(затупленные иглы). Длина острой иглы варьировалась в диапазоне
L/D = 0.55...1.6 (где L − длина иглы, D − диаметр модели), для затупленных
L/D = 0...1. Диаметр иглы во всех экспериментах равен d/D = 0.16. На торце
модели на расстоянии h от ее оси вровень с поверхностью установлены
датчики измерения пульсаций пристенного давления, как показано на
рис. 1.
Рис. 1. Геометрия моделей:
а − модель, исследовавшаяся в трубе Т-326, б − модель, исследовавшаяся в трубе Т-313.
Для исследования течения создана автоматизированная система сбора данных. Система включает в себя два канала сбора: канал сбора быстроизменяющихся параметров течения (пульсации давления на торце цилиндра) и канал сбора видеоинформации. Работа обоих каналов синхронизирована во времени, моменты фотографирования фиксируются одновременно с
процессом записи цифровых данных.
6
Разработана методика обработки экспериментальных данных,
позволяющая исследовать развитие квазипериодического процесса во
времени: установить последовательность смены фаз и их длительность,
характер изменения во времени ударно-волновой структуры течения в
передней отрывной области, а также получить статистические данные о
циклах автоколебаний.
Предложен алгоритм (рис. 2) разделения непрерывной реализации
(рис. 2, а) на отдельные циклы. Вычисляется спектр Фурье (рис. 2, б) от
реализации, определяется главная гармоника Г1, соответствующая автоколебательным циклам. Далее все более высокие обертоны отбрасываются
(рис. 2, в). Производится обратное преобразование Фурье, в результате чего
получается гладкая синусоидальная функция (рис. 2, г), сохраняющая фазы
всех циклов. Накладывая эту функцию на исходную реализацию (рис. 2, д),
можно разделить последнюю на отрезки, соответствующие отдельным автоколебательным квазипериодическим циклам.
Рис. 2. Алгоритм разделения реализации на отдельные циклы.
В работе принято, что начало каждого цикла соответствует очередному минимуму синусоидальной кривой. На рис. 2, е показан результат
обработки исходной реализации − осредненная осциллограмма для одного
цикла. Кружками показаны средние значения пульсаций давления в каждый
момент относительного времени , также нанесена дорожка разбросов, соответствующая значению плюс-минус одного среднеквадратического отклонения. Здесь  − относительное время, 0    1, причем  = 0 соответствует
началу цикла,  = 1 − его завершению.
7
Численное исследование выполнено с использованием лицензионного программного пакета Fluent и вычислительных ресурсов Сибирского
Суперкомпьютерного Центра СО РАН. Рассмотрен один частный случай −
обтекание модели с L/D = 0.5,  = 90, d/D = 0.16. Газодинамические параметры расчета − как в эксперименте в трубе Т-326. Решались нестационарные уравнения Навье – Стокса в двумерной осесимметричной постановке с
использованием k-ε RNG модели турбулентности течения.
3-я глава − результаты исследования.
В разделе 3.1 рассмотрено влияние длины и угла конуса иглы на режим пульсаций. Выявлена область существования пульсационного режима
течения, характерные особенности пульсаций давления, а также влияние
длины и угла конуса иглы на характер течения. Получены амплитудные,
частотные и статистические характеристики течения в зависимости от длины и формы носика иглы.
На рис. 3, а показаны границы и уровень (среднеквадратичное значение Sd(p'(t)/q)) пульсаций пристенного давления на торце цилиндра (здесь
p'(t) − пульсации давления, q − скоростной напор, Sd(p'(t)/q) − среднеквадратичное значение величины p'(t)/q). Цифрами 1 показан диапазон L/D, при
котором существует пульсационный режим, цифрами 2 − колебательный
режим, цифрами 3 − пульсации давления на цилиндре с иглой не отличаются от пульсаций давления на цилиндре без иглы.
На рис. 3, б приведена зависимость числа Струхаля Sh от L/D при
трех различных значениях . Аппроксимирующая функция дает
Sh( L D )  a  b   L D   c   L D  ,
2
где a = 0.006, b = 0.263, c = –0.085. Погрешность определения числа Струхаля при такой аппроксимации не превышает 8%.
Рисунок 3, в содержит график, на котором по оси абсцисс отложены
значения L/D, по оси ординат − среднеквадратичное отклонение Sd(П) длительности П циклов от их среднего значения Пm для случая  = 10°.
Показано влияние длины иглы на устойчивость автоколебательного течения к малым случайным возмущениям, которые вызывают
появление или исчезновение дополнительных неосесимметричных
автоколебательных мод.
При увеличении длины иглы возникает режим апериодических пульсаций (данные Запрягаева и Миронова [5]), при котором появляются отдельные непериодические автоколебательные циклы.
При еще большем увеличении L/D возникает квазипериодический
режим, при котором могут существовать циклы с двумя кратными друг
другу частотами (ранее такой режим течения в литературе не описывался).
На рис. 4 приведены два участка (один над другим) одной реализации,
8
Рис. 3. Влияние длины и угла конуса иглы на характер течения.
на которых видны последовательности циклов С1 (соответствуют частоте
главной гармоники Г1 на спектре, показанном справа от реализации) и С0.5
(соответствует Г0.5). Конфигурация модели −  = 45°, L/D = 0.4. Такой
режим является переходным от апериодических пульсаций к квазипериодическим.
Рис. 4. Автоколебательная мода, при которой возможно существование циклов С1
(соответствуют Г1 на спектре) и С0.5 (соответствуют Г0.5).
При дальнейшем увеличении L/D может установиться режим с наличием циклов, отличающихся друг от друга по амплитуде (а также незначительно по длительности), при этом такие циклы следуют друг за другом,
образуя последовательность чередующихся циклов с "малыми" и "большими" амплитудами. В работах Деметриадеса и Хопкинса [4] показано, что
данный режим соответствует появлению "асимметричной" вращательной
автоколебательной моды пульсаций, частота которой Г0.5 кратна половине
частоты главной гармоники Г1.
При еще большем увеличении длины иглы L/D устанавливается режим одних лишь продольных осесимметричных пульсаций, трехмерные
моды исчезают.
Дальнейшее увеличение L/D вызывает смену пульсационного режима
колебательным (рис. 3, а, обозначен цифрой 2).
9
Другим результатом работы является обнаружение того факта, что
двойная волна сжатия (рис. 2, е) на осциллограмме пульсаций давления
просматривается на всех конфигурациях моделей за исключением случаев
коротких затупленных игл. Это указывает на общее подобие процессов,
протекающих практически во всем рассмотренном диапазоне значений
L/D, .
Первый пик (рис. 5, а) связан с подходом к торцу цилиндра головной
ударной волны W1, второй (рис. 5, б) − с проходом кольцевой сверхзвуковой высоконапорной струи J вблизи места установки датчика. Приведены
мгновенные (экспозиция 2 мкс) шлирен-фотографии, под которыми показаны соответствующие им осциллограммы пульсаций на торце цилиндра.
Вертикальная линия на осциллограммах соответствует моменту фотографирования.
Рис. 5. Механизм регистрации двойной волны сжатия на торце цилиндра.
Первый максимум (а) соответствует подходу к торцу цилиндра головной ударной волны W1;
второй (б) − проходу вблизи датчика сверхзвуковой высоконапорной кольцевой струи J.
Положение датчика в модели изображено белым прямоугольником с
подписью Td. Струя образуется как нестационарный осесимметричный аналог IV-го типа взаимодействия ударных волн (W1 и W2) по классификации
Эдни [12]. Механизм формирования такой кольцевой струи описан в работе
Панараса [8].
В разделе 3.2 рассмотрены автоколебания с передней зоной отрыва
на цилиндре с затупленной иглой (конфигурация L/D = 0.5,  = 90°). Приведены характеристики пульсаций на торце цилиндра. Представлены экспериментальная и численная кинограммы развития во времени одного автоколебательного цикла.
10
На рис. 6 представлен фрагмент кинограммы, приведены десять
мгновенных шлирен-фотографий, на которых указаны моменты относительного времени  развития автоколебательного цикла, 0    1. Положение ножа Фуко горизонтальное, что позволяет наблюдать вертикальный
градиент плотности воздуха. Справа внизу на графике приведены осредненные осциллограммы пульсаций давления p'()/q, полученные в эксперименте в трубах Т-326 и Т-313, а также в численном расчете.
Рис. 6. Кинограмма, иллюстрирующая развитие во времени одного автоколебательного цикла.
Рассмотрены фазы развития процесса. В качестве примера представлены три фазы, соответствующие моментам времени  = 0,  = 1/3,  = 2/3
(рис. 7, 8, 9). На каждом рисунке в верхнем ряду слева направо приведены
по две шлирен-фотографии (экспозиция 2 мкс), полученные при горизонтальном и вертикальном положении ножа, расчетное распределение статического давления в передней отрывной области, упрощенная схема ударно
волновой структуры течения, в нижнем ряду − расчетное распределение
давления на боковой поверхности иглы и на торце цилиндра в указанные
моменты времени .
Начальный момент времени  = 0 (рис. 7) соответствует фазе, когда
головная ударная волна W1 находится у вершины иглы. Видна неоднородная структура течения в отрывной области, при которой вблизи вершины
11
иглы находится область сжатия ZcompN (формирует перед собой ударную
волну W1), а вблизи торца цилиндра и его боковой поверхности − область
разрежения Zexp. Области отделены друг от друга волной сжатия WcompN.
Согласно данным численного расчета, давление в области сжатия в несколько раз выше, чем в области разрежения. Такое состояние неустойчиво,
так как приводит к распаду волны WcompN на волну сжатия, движущуюся к
торцу цилиндра, и волну разрежения, движущуюся к вершине иглы. При
достижении волны W1, волна разрежения ослабляет последнюю. Это приводит к последующему сносу волны W1 вниз по потоку. В свою очередь, волна сжатия достигает торца цилиндра и отражается от него в виде ударной
волны Ws.
Рис. 7. Начало автоколебательного цикла,  = 0.
Фаза  = 1/3 (рис. 8) характеризуется наличием отрывной области Z и
ударных волн: подходящей к торцу цилиндра волны W1, формируемой иглой волны W2 и отраженной от торца цилиндра волны Ws. По мере наполнения отрывной области Z потоком газа, разворачивающегося у торца цилиндра в сторону иглы, точка О отрыва потока смещается к торцу иглы.
Вблизи торца цилиндра образуется область сжатия ZcompC.
12
Рис. 8. Момент времени  = 1/3. Формирование отрывной области Z.
После выхода точки О отрыва к линии сопряжения торца иглы с ее
боковой поверхностью окончательно формируется передняя отрывная область Z. Течение внутри нее имеет сильно неоднородную структуру
(рис. 9,  = 2/3).
Видны три локальных области сжатия: ZcompN, расположенная вблизи
вершины иглы, ZcompC, расположенная в области стыка иглы с цилиндром, и
область ZcompJ, расположенная вблизи точки присоединения потока и следующая вслед за ней по торцу цилиндра. Области сжатия разделены между
собой локальными областями сверхзвукового течения и внутренними ударными волнами Wv и Wg. Вблизи боковой поверхности цилиндра за его
наружной кромкой расположена область разрежения Zexp.
Кроме того, видны кольцевая высоконапорная струя J и контактная
поверхность S, разделяющая потоки газа, прошедшего волны W1 и
W2.Также в работе показано, что область отрыва появляется в области
стыка иглы с цилиндром (согласуется с данными работы Белова с соавторами [13]). Выявлены два механизма формирования встречного течения в
отрывной области − "вязкий" и "невязкий".
На рис. 10, а, б, в показаны три момента времени,  = 0.07, 0.19 и 0.27
соответственно. Приведены (слева направо) шлирен-фотография, расчетное
распределение изолиний плотности, распределение давления на боковой
поверхности иглы и на торце цилиндра, а также упрощенная схема течения.
13
Рис. 9. Момент времени  = 2/3. Структура течения в передней отрывной области Z:
видны три локальных области сжатия ZcompN, ZcompJ и ZcompC, разделенных ударными
волнами Wv и Wg.
На первом рисунке течение безотрывно, на втором видна локальная
отрывная зона Z, на третьем виден быстрый рост зоны Z за счет притока
газа, прошедшего волну W2.
Малая локальная отрывная зона ("вязкий" механизм, рис. 10, б) первоначально появляется в результате отрыва пограничного слоя на поверхности иглы под действием отраженной от торца цилиндра ударной волны.
Последующий быстрый рост размеров отрывной области обусловлен
неоднородным распределением давления на торце цилиндра ("невязкий"
механизм, рис. 10, в), причем давление торможения вблизи внешней кромки
цилиндра больше, чем в области стыка иглы с цилиндром. Причиной такого
распределения являются разные потери полного давления за движущейся к
торцу головной ударной волной W1 и за криволинейной ударной волной W2,
формируемой носиком иглы. В результате часть набегающего на торец цилиндра потока газа разворачивается по направлению к поверхности иглы и
затекает в уже сформировавшуюся отрывную зону, тем самым значительно
ускоряя рост ее линейных размеров. Данный результат объясняет возможность получения численного решения задачи в невязкой постановке в случае обтекания цилиндра с затупленной иглой.
14
Рис. 10. Процесс формирования встречного течения в передней отрывной области.
 = 0.07 (а), 0.19 (б), 0.27 (в).
В разделе 3.3 рассмотрены автоколебания с передней зоной отрыва
на цилиндре с острой иглой (конфигурация L/D = 1.0,  = 10°). Приведены
характеристики пульсаций давления на торце цилиндра. Представлена экспериментальная кинограмма развития во времени одного автоколебательного цикла, рассмотрены фазы развития процесса.
Основное внимание в разделе уделено отличиям характера течения
при сверхзвуковом обтекании цилиндра с острой ( = 10°) иглой от обтекания цилиндра с затупленной ( = 90°) иглой. Наибольшие отличия заключаются в процессе формирования передней отрывной области.
Отрывная область (рис. 11) формируется из двух локальных отрывных зон Z1 и Z2, причем первая находится у острия иглы (результат согласуется с данными, приведенными в работе Запрягаева и Миронова [5]), вторая
расположена как в случае обтекания цилиндра с затупленной иглой, описанном выше. Далее вторая зона заполняет первую, формируя единую
переднюю отрывную область Z.
В разделе 3.4 проведена оценка достоверности полученных результатов. По результатам многократных (18 раз) испытаний одной конфигурации
модели (L/D = 1.0,  = 10°) определены средние значения числа Струхаля
Sh и уровня Sd(p'(t)/q) пульсаций пристенного давления на торце цилиндра
(здесь p'(t) − пульсации давления, q − скоростной напор, Sd(p'(t)/q) − среднеквадратичное значение величины p'(t)/q). По результатам эксперимента
15
Рис. 11. Процесс формирования встречного течения в случае обтекания конфигурации в виде цилиндра с острой иглой.
среднеквадратичное отклонение числа Струхаля от среднего значения порядка 1%, для уровня пульсаций давления порядка 10%.
Основные результаты работы:
1. Результаты исследования пульсационного режима течения вблизи
тела с иглой при числе Маха набегающего потока М = 6.
− Исследовано влияние длины и угла конуса иглы на режим пульсаций.
Показано, что с уменьшением длины иглы растет восприимчивость автоколебательного процесса к малым случайным возмущениям. Экспериментально обнаружена автоколебательная мода пульсаций, при которой существуют циклы как соответствующие частоте максимума главной гармоники в спектре, так и циклы с удвоенной длительностью.
− Уточнен процесс образования передней отрывной области, выявлены
два механизма формирования встречного течения в отрывной зоне: первый обусловлен отрывом пограничного слоя на поверхности иглы под
16
воздействием ударных волн; второй − неоднородным распределением
давления вблизи торца цилиндра.
− Экспериментально и численно подтверждено наличие сложной структуры течения в передней отрывной зоне, показано существование ударных
волн и локальных областей сверхзвукового течения в зоне отрыва для
некоторых фаз автоколебательного процесса. Наличие ударных волн
обусловлено массорасходным характером в передней отрывной области,
при этом поступающий в нее высоконапорный газ накапливается в локальной области сжатия, расположенной вблизи вершины иглы.
2. Разработана и реализована методика экспериментального исследования быстропротекающих квазипериодических процессов, включающая:
− автоматизированную систему сбора данных, предназначенную для
исследования быстропротекающих квазипериодических процессов;
система позволяет провести совместное исследование данных визуализации течения и локального измеряемого параметра (пульсаций
пристенного давления);
− методику обработки экспериментальных данных, позволяющую исследовать развитие квазипериодического процесса во времени: установить последовательность смены фаз и их длительность, характер
изменения во времени ударно-волновой структуры течения в передней
отрывной области, а также получить статистические данные о циклах
автоколебаний.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 03-01-06110-мас) и Сибирского Суперкомпьютерного Центра СО РАН (предоставлена возможность проведения численного расчета с использованием лицензионного программного пакета
Fluent).
Публикации по теме работы
1. Zapryagaev V.I., Kavun I.N. Experimental Study of Self-Sustained Oscillations on
Spike-Tipped Cylinder in Supersonic Flow // Int. Journal of Aeroacoustics. 2005.
Vol. 4, No. 3, 4. P. 363-372.
2. Запрягаев В.И., Кавун И.Н. Особенности структуры течения передней отрывной
зоны вблизи тела с иглой при гиперзвуковой скорости набегающего потока //
Мат. моделирование. 2007. Т. 19, № 7. С. 120-128.
3. Запрягаев В.И., Кавун И.Н. Экспериментальное исследование возвратного течения в передней отрывной области при пульсационном режиме обтекания тела с
иглой // ПМТФ. 2007. Т. 48, № 4. С. 30-39.
4. Запрягаев В.И., Гилев В.М., Батурин А.А., Кавун И.Н., Певзнер А.С. Модернизация системы автоматизации аэрофизического эксперимента в ИТПМ СО РАН
17
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
// Модели и методы аэродинамики: Тез. докл Третьей Международной школысеминара, Евпатория, 2003 г. М: МЦНМО, 2003. С. 50-51.
Zapryagaev V.I., Kavun I.N., Baturin A.A., Gilyov V.M., Shevchenko A.M. Tecnique
for periodical pulsation process investigation for aerodynamic experiment // Int. Conf.
on the Meth. of Aerophys. Research: Proc. Pt II. Novosibirsk, 2004. P. 213-218.
Запрягаев В.И., Кавун И.Н. Особенности пульсационного течения в передней
зоне отрыва при гиперзвуковой скорости потока // Устойчивость и турбулентность течений гомогенных и гетерогенных жидкостей: Тез. докл. Новосибирск,
2004. С. 71-72.
Запрягаев В.И., Кавун И.Н. Влияние формы носовой иглы на характер периодического пульсационного течения вблизи тупого тела при гиперзвуковой скорости набегающего потока // Устойчивость и турбулентность течений гомогенных
и гетерогеннных жидкостей: Тез. докл. Новосибирск, 2005. С. 63-66.
Zapryagaev V.I., Kavun I.N. Pulsating flow near blunt body with spike at hypersonic
free stream // Proc. of EWHSFF [China]. Beijing, 2005. P. 211-214.
Zapryagaev V.I., Kiselev N.P., Gorshkov V.G. and Kavun I.N. The interaction of
supersonic underexpanded jet with cylindrical body // Int. Conf. on the Meth. of Aerophys. Research: Proc. Pt V. Novosibirsk, 2007. P.230-234.
Запрягаев В.И., Кавун И.Н. Автоколебания на теле с иглой при сверхзвуковой
скорости потока // XXII Всероссийский семинар по струйным, отрывным и нестационарным течениям: Тез. докл. Новосибирск, 2007. С. 110-111.
Zapryagaev V.I., Kavun I.N. Self-sustained oscillations near spiked body at supersonic flow speed // Int. Conf. on the Meth. of Aerophys. Research: Abstr. Pt II.
Novosibirsk, 2008. P. 268-269.
Zapryagaev V.I., Kavun I.N. Shock-wave structure of pulsation flow near a tip-spiked
body // 18th ISIS: [Abstr.]. Rouen, 2008. P. 147-149.
Цитируемая литература
1. Mair W. Experiments on separated boundary layers on probes in front of blunt nosed
bodies at supersonic air stream // Philos. Mag. 1952. Vol. 43. P. 695-716.
2. Wood C.J., Hypersonic flow over spiked cones // J. Fluid Mech. 1962. Vol. 14, Pt 4.
P. 614-624.
3. Holden M.S., Experimental studies of separated flows at hypersonic speeds. Pt. I.
Separated flows over axisymmetric spiked bodies. // AIAA Journal 1966. Vol. 4,
No. 4. P. 591 – 599.
4. Demetriades A., Hopkins A.T. Asymmetric shock-wave oscillations on spiked bodies
of revolution // Journal of Spacecraft and Rockets. 1976. Vol. 13, No. 11. P 703-704.
5. Запрягаев В.И., Миронов С.Г. Особенности механизма пульсаций отрывного
течения перед цилиндром с острой иглой при сверхзвуковом обтекании //
ПМТФ. 1991. № 6. C. 101-108.
6. Maull D.J., Hypersonic Flow over Axially Symmetric Spiked Bodies // Journal of
Fluid Mechanics. 1960. No. 8, Pt. 4. P. 584-592.
7. Антонов А.Н., Купцов В.М., Комаров В.В. Пульсации давления при струйных и
отрывных течениях. М.: Машиностроение, 1990. 272 с.
18
8. Панарас А.Г. Пульсирующие течения около осесимметричных выпуклых тел //
РТК. 1981. Т. 19, № 8. С. 157 – 159.
9. Calarese W., Hankey W.L. Modes of shock-wave oscillations on spike-tipped bodies
// AIAA Journal. 1985. Vol. 23, No. 2. P. 185-192.
10. Глотов Г.Ф. Управление турбулентными отрывными зонами в сверхзвуковых
потоках // Научные основы турбулентных течений. М.: Наука, 1992. С. 79-89.
11. Бабарыкин К.В., Кузьмина В.Е. Исследование особенностей автоколебательных
режимов обтекания тела с иглой в случае больших чисел Маха // Аэродинамика
/ Под. ред. Р.Н. Мирошина. СПб, 2005. С. 61–83.
12. Эдни Б. Теплообмен на затупленном теле, сталкивающемся со скачком
уплотнения // РТК. 1968. Т. 6, № 1. С. 16-27.
13. Белов А.И., Дементьев И.М., Исаев С.А. и др. Моделирование сверхзвукового
обтекания тел вращения с передней срывной зоной: Препринт Ленингр. физ.
техн. ин-та им. А.И. Иоффе АН СССР № 1033. Л., 1986. 57 с.
Ответственный за выпуск И.Н. Кавун
Подписано к печати 08.09.2009
Формат бумаги 6084/16,
Усл. печ. л. 1.0, Уч.-изд. л. 1.0,
Заказ № 17, Тираж 100 экз.
Отпечатано в типографии ООО «Нонпарель»
630090, Новосибирск-90, Институтская 4/1
19