CC BY
8
6. Удальцов Н.П., Агеев П.А., Заика П.В. Основные аспекты и методика оценки эффективности мониторинга // Известия тульского государственного университета. Технические науки, 2022. Вып. 2. С. 298-303.
7. Агеев П.А., Кудрявцев А.М., Смирнов А.А. Процедуры структурно-статистической обработки данных радиомониторинга // Известия тульского государственного университета. Технические науки,
2019. Вып. 7. С. 288-294.
8. Агеев П.А., Кудрявцев А.М., Заика П.В. Модель информационных признаков объектов и источников радиомониторинга // Известия тульского государственного университета. Технические науки,
2020. Вып. 5. С. 78-83.
9. Агеев П.А., Удальцов Н.П., Заика П.В. Способ выявления характеристик взаимосвязности размещения объектов в оперативном построении войск // Известия тульского государственного университета. Технические науки, 2021. Вып. 6. С. 164-170.
Удальцов Николай Петрович, канд. воен. наук, профессор, преподаватель, Россия, Санкт-Петербург, Военная академия связи имени Маршала Советского Союза С. М. Буденного,
Агеев Павел Александрович, канд. воен. наук, доцент, pol18deligne@rambler.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военная академия связи имени Маршала Советского Союза С. М. Буденного
PROCEDURES FOR DETECTION AND RECOGNITION OF OBJECTS BY MONITORING TOOLS
N.P. Udalzov, P.A. Ageev, I.U. Ulanov, A.A. Donchenko
The article discusses the main procedures for revealing masking measures (impacts) used on monitoring objects, and subsequent actions to identify and recognize these objects.
Key words: camouflage, radio monitoring, manifestation, information collection area, geoinformation system, digital terrain model, physical and geographical conditions, natural and climatic factors.
Udalzov Nikoly Petrovich, candidate of military sciences, professor, lecturer, Russia, Sankt-Petersburg, Military Academy of Telecommunications named after Marshal of the Soviet Union S.M. Bydyonny,
Ageev Pavel Aleksandrovich, candidate of military sciences, docent, pol18deligne@rambler.ru, Russia, Sankt-Petersburg, Military Academy of Telecommunications named after Marshal of the Soviet Union S.M. Bydyonny
УДК 519.6
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-4-251-256
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИМПУЛЬСНОЙ ДЕТОНАЦИИ ГАЗА В КАНАЛЕ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ НА ДИФРАКЦИЮ УДАРНЫХ ВОЛН
А.А. Сназин, В.И. Шевченко
В статье представлены результаты исследования взаимодействия ударных волн с короткими профилированными участками плоского канала, равноудалёнными от точки инициирования ударной волны. Рассматривались два варианта инициирования ударных волн. В первом варианте ударные волны инициировались единичным подводом энергии, во втором - импульсным пятикратным подводом энергии. В результате проведенных расчетов были получены различные картины дифракции ударных волн при их взаимодействии со стенками канала. Установлено, что при многократном инициировании ударных волн происходит значительный рост давления в рассматриваемом канале.
Ключевые слова: дифракция, ударные волны, распространение ударной волны.
1. Введение. Многочисленные исследования были посвящены процессам инициирования и распространения детонационных волн. В работах [2-4] было проведено численное моделирование для изучения детонационных потоков на обратном уступе и в каналах с внезапным расширением. Эти моделирования выявили ослабление детонации за уступом, наличие перестройки структуры ячеек в каналах с разрывом участка, а также различные варианты развития структуры детонационных ячеек. В работе [5] представлены результаты трехмерного численного исследования распространения ударной волны в квадратном канале с образованием ячеистой структуры. Кроме того, в источниках [6-10] сообщается о
251
результатах численного моделирования распространения ударной волны в плоском канале с коническими и щелевыми перегородками. Эти исследования дают представление о сложной динамике детонационных волн и различных факторах, которые могут влиять на их распространение и устойчивость.
В данной работе рассмотрены особенности процессов инициирования и распространения детонационных волн, а также методы поддержания стабильного детонационного горения с учетом импульсного подвода энергии в канале сложной формы.
2. Постановка задачи. В работе моделируется распространение детонационной волны в невозмущенном при нормальных условиях (р0 =0,09 МПа, Т0 = 293 К) газовой среде в плоском канале высотой (К) равной 30 мм, длиной равной 6*К (рис. 1, а). Левая часть канала закрыта стенкой, а правая часть представляет собой открытый выход. Инициирование ударной волны происходит путем добавления мгновенного подвода энергии в области закрытого торца канала с параметрами (рн = 1 МПа, То = 700 К).
Рис. 1. Геометрия плоского канала
На расстоянии 1.5*К от начала канала находится область с профилированным участком. Геометрия профилированного участка построена с учетом результатов исследований [11], которые показали, что каналы, в геометрии которых присутствуют острые углы или кромки, могут создавать более сильные отраженные ударные волны по сравнению с каналами, имеющими скругленные углы или кромки. Расчеты проводились с единичным инициированием ударной волны и с импульсным пятикратным инициированием в течение короткого промежутка времени с частотой / = 30 кГц. Математическая модель основана на уравнениях Навье-Стокса динамики сжимаемой среды с учетом вязкости [12].
Исследование процессов инициирования и распространения детонационных волн в каналах различных устройств сопровождается необходимостью рассмотрения расчетных областей различных форм. Эти вопросы сопряжены с построением подробных расчетных сеток, позволяющих разрешать газодинамические неоднородности. Расчетная область состоит из 1,785*106 элементов (рис. 2).
Рис. 2. Сетка конечных элементов вблизи профилированного участка канала
Для разрешения вихревой составляющей применялся метод моделирования отсоединенных вихрей (Detached Eddy Simulation, DES). DES метод является гибридным подходом к моделированию турбулентных потоков, который объединяет возможности моделей Навье-Стокса (Reynolds-averaged Navier-Stokes, RANS) и методов моделирования больших вихрей (Large Eddy Simulation, LES) [12].
Метод DES использует модели RANS для моделирования пристенного пограничного слоя и переключается на LES в области свободного потока, где турбулентные структуры больше. Это переключение осуществляется на основе локального расстояния между сетками, которое определяет разрешается ли поток. В пограничном слое, где шаг сетки мал, для моделирования турбулентности используются уравнения RANS. В области свободного потока, где шаг сетки достаточно велик, для разрешения крупномасштабных турбулентных структур используются уравнения LES.
Для стандартной модели k-œ [13] уравнения переноса турбулентной кинетической энергии и удельной скорости диссипации турбулентности выглядят следующим образом:
^ + ± (Ujk) = \{v + —]+Рк -сш2ы (1)
dt dXjy 1 J dXj V akJ dx,J K v '
^ + (и,а) =-\{у + у-А^]+Сш1^Рк — Сш2^>2 (2)
dt dxjy 1 J dXj V аы/ dx,J W1 k к v '
и уравнение кинематической вязкости:
VT = fc/ Ш (3)
[14]:
Для модели DES уравнения (1) и (3) с учетом модификации записываются следующим образом
dt dxj v J J dxj [\ GfcJ dxj\ L^
O)
(4)
"Т — "-у^^у^ ' (5)
Шаг по времени был выбран на основе критерия скорости распространения детонационных волн и принят равным ^ = 7*10-7, а число подшагов равнялось 25 для достижения сходимости решения по невязкам на каждом временном шаге.
3. Результаты расчетов. В результате численного моделирования было получено, что профилированная геометрия играет значительную роль в распространении детонационных волн при прочих фиксированных параметрах.
Моделирование прохождения детонационной ударной волны через канал с профилированным участком показало, что после прохождения через профилированную секцию в передней части ударная волна приобретает веерообразную структуру (рис. 3, а). Кроме того, на пути волны формируется устойчивая структура, демонстрирующая постоянное поведение во времени. При этом на стенках, формирующих сужение канала, образуются отраженные ударные волны, которые начинают двигаться перпендикулярно стенке в направлении противоположному распространению фронтальной ударной волны.
т = 0,70 т = 0,84 т = 0,70 т = 0,84
а б
Рис. 3. - Взаимодействие детонационной волны со стенками канала а - одиночное инициирование; б импульское инициирование
В области инициирования детонации наблюдается образование стабильной зоны повышенного давления в результате сильной дифракции ударной волны (рис. 4, а). Это явление вызвано взаимодействием волны с границами канала и определяется геометрией канала.
При импульсном пятикратном инициировании детонации на рис. 3, б отчётливо видно распространение волн во фронтальном направлении после каждого цикла инициирования (/ = 30 кГц) (рис. 3, б). В результате прохождения фронтом ударной волны профилированного участка видно, что переданная ударная волна претерпевает отражение и дифракцию ударной волны. По мере того как первичный фронт ударной волны перемещается от впадины к выступу профилированного канала, процесс отражения удар-
253
ной волны сменяется на дифракцию ударной волны, а дифракция ударной волны сменяется процессом отражения ударной волны. Этот процесс усиливается в результате того, как отраженные волны нагоняет ударная волна от последующего инициирования.
-т - 0.14 -т 0.28 —Х - 0.Д2 -т - 0..Ч6
—с g/u
-г -
а б
Рис. 4. Изменение давления по длине канала с течением времени: а - одиночное инициирование;
б - импульское инициирование
При этом в результате многократного инициирования давление вблизи заглушённой части канала становится в 10 раз больше, чем с единичным инициированием в тот же самый промежуток времени (т = 0,56). После того как подвод энергии прекратился в зоне инициирования происходит резкое падение давления в 8.5 раз, при этом в области профилированного участка давление нарастает в 1.5 раза по сравнению с аналогичным промежутком времени в предыдущем расчетном варианте (рис. 3, б). В тот же самый момент, сразу за областью профилирования образуется небольшая область разряжения, отмеченная красным (рис. 4, б). Далее, ближе к выходу из канала, давление по его длине в среднем выше в 2.5 раза, чем в предыдущем расчете.
4. Выводы. В данной работе было представлено комплексное математическое моделирование дифракции ударных волн при прохождении через плоский канал с профилированным участком с единичным инициированием ударной волны и импульсным пятикратным инициированием в течении короткого промежутка времени. Взаимодействие ударных волн с различными геометриями профилированных участков представляет собой сложный процесс, при этом каждый участок формирует свою сложную ударно-волновую структуру. Более того, ряд сужений и расширений, которые формируются рассматриваемым в работе профилем канала, оказывают значительное влияние на уровень дифракции ударных волн.
Было получено, что импульсное пятикратное инициирование ударной волны приводит к значительному росту давления не только в результате подвода энергии, но и из-за отражения и дифракции ударных волн (в 2.5 раза).
Полученные результаты дают широкое представление о сложном поведении ударных волн при прохождении геометрических участков со сложной геометрией с учетом многократной импульсной инициализации ударных волн, и их использовать при проектировании перспективных детонационных двигателей.
Список литературы
1. Зельдович Я.Б. Теория ударных волн и введение в газовую динамику / Отв. Ред. Н.Н.Семенов. Изд. 2-е. М.: ЛЕНАНД, 2014. 192 с.
2. Федоров А.В. Распространение ударных и детонационных волн в каналах различной геометрии в газовзвесях / А.В. Федоров, Ю.В. Кратова, Т.А. Хмель, В.М. Фомин // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2008. Т. 7. С. 5. EDN LALGQZ.
3. Федоров А.В. Распространение ячеистой гетерогенной детонации в условиях изменяющейся геометрии / А. В. Федоров, Т. А. Хмель, Ю. В. Кратова // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2012. Т. 13. № 4. С. 11. EDN SCZTGT.
4. Булат П.В. Численное моделирование дифракции ударной волны на прямом угле на неструктурированных сетках / П. В. Булат, К. Н. Волков // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2016. Т. 16. № 2. С. 354-362. DOI 10.17586/2226-1494-2016-16-2-354-362. EDN VSDNYP.
5. Kratova Yu. Numerical simulation of heterogeneous detonations in plane and rectangular channels on hybrid CPU/GPU systems / Yu. Kratova, A. Kashkovsky, A. Shershnev // AIP Conference Proceedings : Proceedings of the XXVlI Conference on High-Energy Processes in Condensed Matter, dedicated to the 90th anniversary of the birth of RI Soloukhin, Novosibirsk, 29 июня - 03 2020 года. Vol. 2288. Novosibirsk: AIP Publishing LLC, 2020. P. 030016. DOI 10.1063/5.0028360. EDN BCKVOP.
6. Ohtomo F., Ohtani Kiyonobu, Takayama Kazuyoshi. Attenuation of shock waves propagating over arrayed baffle plates. Shock Waves. 2005. 14. P. 379-390. 10.1007/s00193-005-0282-5.
7. Wan Qian, Eliasson Veronica. Numerical Study of Shock Wave Attenuation in Two-Dimensional Ducts Using Solid Obstacles: How to Utilize Shock Focusing Techniques to Attenuate Shock Waves. Aerospace. 2015. 2. 10.3390/aerospace2020203.
8. Rajagopal Arun, Pathak Vaibhav. Shock wave mitigation using zig-zag structures and cylindrical obstructions. Defence Technology. 2020. 17. 10.1016/j.dt.2020.10.001.
9. Le H., Wu J., Gao X., Shi W., Song J. Influence of size effect on shearing strength of zig-zag structure plane. 2016. 35. P. 745-750. DOI: 10.11956/j.issn.1008-0562.2016.07.015.
10. Численное моделирование регулярного и маховского отражения ударной волны от стенки / М.П. Булат, И.А. Волобуев, К.Н. Волков, В.А. Пронин // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2017. Т. 17. № 5. С. 920-928. DOI 10.17586/2226-1494-2017-17-5-920-928. EDN ZQQFON.
11. Сназин А.А. Исследование влияния геометрии канала на дифракцию ударных волн при детонации газа / А.А. Сназин, В.И. Шевченко // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2023. Вып. 2. С. 163-168. DOI: 10.24412/2071-6168-2023-2-163-168.
12. Menter F.R., Galpin P.F., Esch T., Kuntz M., Berner C. CFD Simulations of Aerodynamic Folws with a Pressure-Based Method // Paper ICAS 2004-2.4.1, Japan, Yokohoma, 2004. 11 p.
13. Wilcox D.C. Reassessment of the scale deterring equation for advanced turbulence models. AIAA J. 26, 1988. P. 1299-1310.
14. Shur M., Strelets P.R., Spalart M., Travin A. Detached-eddy simulation of an airfoil at high angle of attack. In: Rodi, W., Laurence, D. (Eds.), Engineering Turbulence Modelling and Measurements, vol. 4. Elsevier, 1999. P. 669-678.
Сназин Александр Андреевич, канд. техн. наук., старший научный сотрудник, alexsnzn@gmail.com, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия им. А.Ф. Можайского,
Шевченко Василий Иванович, младший научный сотрудник, artnetru@yandex.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия им. А. Ф. Можайского
STUDY OF THE EFFECT OF CHANNEL GEOMETRY ON SHOCK WAVE DIFFRA CTION DURING GAS
DETONATION
A.A. Snazin, V.I. Shevchenko
The paper presents the results of the study of shockwave interaction with short profiled sections of a flat channel equidistant from the shockwave initiation point. Two variants of shockwave initiation were considered. In the first variant, the shock waves were initiated by a single energy input, while in the second one, by a pulsed fivefold energy input. As a result of these calculations, different patterns of shockwave diffraction during their interaction with the channel walls were obtained. It was found that at multiple initiation of shock waves, there is a significant increase in pressure in the channel in question.
Key words: diffraction, shock waves, shock wave migration
Snazin Aleksandr Andreevich, candidate of technical science, senior researcher, alexsnzn@gmail.com, Russia, Saint-Peterburg, Mozhaisky Military Space Academy,
Shevchenko Vasiliy Ivanovich, junior researcher, artnetru@yandex. ru, Russia, Saint-Peterburg, Mozhaisky Military Space Academy
