Применение критерия Неймана к исследованию гистерезиса сверхзвуковых струйных взаимодействий Текст научной статьи по специальности «Физика»

Проектирование и производство летательнъхаппаратов, космические исследования и проекты

УДК 533.696

В. С. Фаворский

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Россия, Красноярск

ПРИМЕНЕНИЕ КРИТЕРИЯ НЕЙМАНА К ИССЛЕДОВАНИЮ ГИСТЕРЕЗИСА СВЕРХЗВУКОВЫХ СТРУЙНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ

Исследование неоднозначных конфигураций течения жидкости и газа представляет собой одну из сложнейших областей гидрогазодинамики. Выявление причин возникновения таких режимов позволит учитывать возможность их негативного проявления при проектировании технических устройств для достижения более высоких эксплуатационно-технологических характеристик.

Проблема потери устойчивости в течениях жидкости и газа связана как со сменой режима течения, так и с возникновением в ряде случаев автоколебательных режимов. В настоящее время достигнут значительный успех в вычислительном моделировании течений, однако это не снимает проблему в интерпретации полученных результатов, построении феноменологических моделей, необходимых как для выявления области существования определенных режимов, так и для уточнения применяемых моделей.

Структура сверхзвуковых струй содержит целый ряд самостоятельных физических элементов течения, характеризуемых оригинальными особенностями и закономерностями изменяемых параметров. К их числу нужно отнести пограничный слой на стенке сверхзвукового сопла, осе-симметричность выходного сечения, наличие механических несовершенств кромки сопла, область свободного расширения. Сложным элементом течения является область у кромки сопла, где начинается взаимодействие высокоскоростного потока и пограничного слоя, стекающего со стенки сопла, с внешней средой. В этой области формируется висячий скачок уплотнения, внешний слой смешения и пограничный слой самой струи, зарождаются вихревые жгуты в слое смешения, происходит воздействие на область свободного расширения возмущений из внешней среды. Сам висячий скачок уплотнения, охватывающий зону свободного расширения, имеет «бочкообразную» форму и является результатом столкновения расширяющегося газа с плотной внешней средой. Отличие лобового столкновения сверхзвукового потока с препятствием с образованием прямого скачка уплотнения и данной картины течения заключается в том, что столкновение получается скользящим и криволинейным, поэтому интенсивность и перепад параметров на висячем скачке меньше, чем на прямом скачке уплотнения. Ниже по течению в зависимости от параметров истечения возможно как смыкание висячего скачка на оси струи (регулярного отражения висячего скачка от оси струи), так образование в приосевой

области прямого скачка уплотнения. Висячий и прямой скачки уплотнения взаимодействуют в тройной точке, образующей кольцевую линию. Из тройной точки, как результат взаимодействия, выходит отраженный скачок уплотнения и тангенциальный разрыв. За прямым скачком уплотнения образуется область дозвукового течения, переходящая в сверхзвуковое течение в горловом сечении, образованном тангенциальным разрывом.

Встречное взаимодействие двух одинаковых сверхзвуковых струй, когда оси сопл лежат в одной плоскости и пресекаются под углом 120°, стало предметом исследований [1]. Взаимодействие струй приводит к существенной деформации ударно-волновой структуры. Результат взаимодействия в силу плоской симметрии условий и геометрии струй также обладает симметрией. Однако в результате исследований выявлен диапазон расстояний, характеризующийся наличием равновероятных асимметричных конфигураций ударно-волновой структуры течения, переход между которыми происходит со значительным гистерезисом по давлению в одной из струй. При этом симметричная картина течения не реализуется. Физический эксперимент проводился на струях воздуха, истекающих в атмосферу с нормальным давлением и в барокамеру при давлении внешней среды 100 Па. Для разреженных струй характерна устойчивая картина течения без автоколебательных режимов газодинамической структуры. Для взаимодействия плотных струй, напротив, картина течения характеризуется спонтанными переходами между двумя устойчивыми конфигурациями, причем спектр релаксационных автоколебаний не имеет определенной дискретной составляющей, что свойственно процессам со случайным значением интервала времени между перестройками течения. Исследование причин потери устойчивости в более широком диапазоне углов между осями сопл показало их схожесть с причиной возникновения гистерезиса при натекании сверхзвуковой струи на плоскую преграду [2] и критерия перехода от регулярного к нерегуляр-

Решетневские чтения

ному отражению скачка уплотнения от оси симметрии, предложенного в 40-х гг. прошлого века Дж. фон Нейманом [3] и подробно рассмотренного в работе [4].

Определение причины возникновения асимметричных устойчивых конфигураций при взаимодействии двух одинаковых струй в симметричных условиях было продолжено при проведении численного трехмерного моделирования течения с использованием программного обеспечения [5]. Результаты численных исследований показали, что существенное влияние на возникновение асимметричных картин течения вносит способность внешних границ струй изменять конфигурацию висячих скачков уплотнения в направлении, перпендикулярном плоскости, проходящей через оси сверхзвуковых сопл. Иными словами, при невозможности установления симметричной картины течения одна из струй вынуждена не только сместить ближе к соплу часть центрального скачка уплотнения, но и сместить боковую границу слоя смешения от плоскости взаимодействия.

Механизм деформации и бокового смещения слоя смешения до конца непонятен. Также остается невыясненной природа потери устойчивости

и, как следствие, невозможность установления симметричной картины течения.

Библиографический список

1. Favorskiy V. S. Influence of The angle between nozzle axes on interaction of two identical supersonic jets / V. S. Favorskiy, E. I. Sokolov, I. V. Shatalov // Thermophysics and aeromechanics. 2000. Vol. 7, № 1. P. 47-53.

2. Favorskiy V. S. Non stationary flow an under-expanded jet around an unbounded obstacle / V. S. Favorskiy, G. F. Gorshkov, V. N. Uskov // J. Appl. Mech. Tech. Phys. 1993. Vol. 34, № 1. P. 41-48.

3. Von Neumann J. Oblique reflection of shock waves : Explosive Research report 12, Navy Dept / J. Von Neumann. Bureau of Ordonance, Washington DC. US Dept. Comm off. Tech Serv. PB37079, 1943.

4. Transition between regular and Mach reflection of shock waves: new numerical and experimental results / M. S. Ivanov, D. Vandromme, V. M. Fomin et al. // Shock Waves. 2001. Vol. 11, № 3. P. 199-207.

5. Астра-Ореол [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.gtn.ru/~ignatiev/. Загл. с экрана.

V. S. Favorskiy

Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev, Russia, Krasnoyarsk

APPLICATION OF NEUMANNS CRITERION TO INVESTIGATE HYSTERESIS OF SUPERSONIC JET INTERACTION

The investigation of nonunique configurations of fluid and gas flows is a difficult and complex problem of hy-drogasdynamics. Detecting the reasons of these regimes appearance in engineering of new technical equipment permits to achieve higher operating characteristics.

© Фаворский В. С., 2009

УДК 621.9.048

И. Я. Шестаков, Т. А. Веретнова, И. А. Ремизов, Н. А. Зиборова

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Россия, Красноярск

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ СПОСОБ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОЙ РЕЗКИ МЕТАЛЛА

Предложен способ усовершенствования электроконтактной резки металла с целью снижения удельных затрат энергии, позволяющий влиять на технологические показатели процесса резки за счет регулирования температуры в зоне реза при соблюдении рекомендуемых режимов обработки.

В производстве деталей летательных аппаратов и в авиадвигателестроении используются стали и сплавы, труднообрабатываемые обычными способами, такими как абразивная резка, резка

дисковыми и ленточными пилами [1]. При этом наблюдается значительный износ абразивного круга, малая производительность, большой расход дорогостоящего инструмента. Возникает во-