CC BY
91
2004_ВЕСТНИК САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА_Сер. 1_Вып. 2
МЕХАНИКА
УДК 533.6(092) Г. А. Акимов
РАЗВИТИЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ШКОЛОЙ ПРОФЕССОРА И.П.ГИНЗБУРГА
История математико-механического факультета СПбГУ знает немало имен крупных ученых, чей вклад в науку высоко оценивается в нашей стране и за рубежом [1]. На кафедре гидроаэромеханики, созданной в университете в 1929 году, трудились выдающиеся отечественные ученые Н. Е. Ко-чин, А. А. Саткевич, К. И. Страхович. В 1930-е годы начали научно-педагогическую деятельность И. А. Кибель, С. А. Христианович, Н. Н. Поляхов, которые вскоре стали ведущими специалистами кафедры гидроаэромеханики и факультета. В те же годы сформировались научные интересы более молодых сотрудников кафедры И.П.Гинзбурга, А. Е.Донова, А. А. Гриба, С. В. Валландера [2]. В послевоенные годы они возглавили научные исследования по актуальным проблемам гидроаэромеханики, став учителями не одного поколения студенческой молодежи.
Отмечая особую роль профессора И. П. Гинзбурга (1910-1979) в развитии прикладной гидрогазодинамики, следует указать, что с 1945 года он совмещал научно-педагогическую деятельность в Университете и Военно-механическом институте (ЛМИ). Широкая эрудиция, выдающиеся организаторские способности позволили ему развернуть масштабную исследовательскую работу в области механики полета летательных аппаратов (ЛА), управляемых динамических систем и аэрогазодинамики. Деятельности И. П. Гинзбурга в ЛГУ, где он заведовал газодинамической лабораторией (ГДЛ) в течение 30 лет, посвящен очерк его учеников С. К. Матвеева и Г. В. Кочерыженкова [3]. В данной статье будут рассмотрены исследования И. П. Гинзбурга и его учеников как в университете, так и в ЛМИ, где он с 1949 года заведовал кафедрой аэрогазодинамики и динамики полета ЛА.
© Г. А. Акимов, 2004
В 1957 г. кафедрой в ЛМИ был организован первый Всесоюзный семинар по газовым струям, который привлек внимание сотен специалистов ведущих организаций страны [4]. В эти годы существенно увеличился штат кафедры и начались систематические научно-исследовательские работы для проектных организаций страны. В них принимали активное участие аспиранты В.М.Супрун, М.Г.Моисеев, А.Л.Исаков, В. А. За-зимко, инженеры Г. А. Акимов, А. И. Старшинов, Е. А. Никуличева. Ответственным исполнителем работ по газодинамике струйных течений стал доцент В.Г.Дулов (после аспирантуры у И.П.Гинзбурга в ЛГУ). Следует отметить, что на кафедре работали не только выпускники ЛМИ, но и ЛГУ (обычно ученики И.П.Гинзбурга). Здесь в первую очередь следует назвать доцентов В.П.Ширшова, К. П. Страшинину, В.Г.Дулова, Г. Т. Алдошина и А. К. Полубояринова. В свою очередь для усиления инженерного состава газодинамической лаборатории в ЛГУ приглашались выпускники технических ВУЗов с опытом производственной и конструкторской работы.
Основные исследования сотрудников и аспирантов кафедры в ЛМИ проводились в следующих направлениях [5], [6]:
1. Осесимметричные струи. Создание важного для инженерной практики метода расчета начального (ударно-волнового) участка сверхзвуковой нерасчетной струи принадлежит В.Г.Дулову (1959). Следует отметить, что В.Г.Дулов (впоследствии член-корр. АН СССР) в годы научной деятельности в СО АН (Новосибирск, Красноярск) далее развил теоретические методы исследования сверхзвуковых струйных течений [7]. В дальнейшем (с 1960 г.) метод уточнялся А. Л. Исаковым, Б. Н. Собколовым, Г. А. Акимовым, а затем — (с 1970 г.) В. Н. Усковым и его сотрудниками. Позднее (1980) Е. И. Соколов изложил аналитический метод расчета отдельных областей струи. Следует добавить, что еще в 1956 году околосопловое течение в струе методом характеристик рассчитывал А. К. Полубояринов.
2. Составные (блочные) струи. Первыми (1962) были работы В.Г.Дулова и А. Л. Исакова. В последующие годы изучением составных струй занимались Г. А. Акимов, Б. Н. Собколов, А.М.Сизов, В. Д. Приходько, Ю.М.Рудов, А. П. Бавыкин и др. Применялась обычно следующая схема исследований: фотографирование струи, изучение взаимодействующих скачков уплотнения и граничной поверхности струйного потока, измерение давления в различных сечениях струи, анализ качественной картины течения; результат — разработка полуэмпирического метода расчета геометрических и газодинамических параметров струйного течения. Такой подход позволил решить ряд актуальных задач аэрогазодинамики новых видов ЛА.
3. Взаимодействие струи с элементами конструкции ЛА. С 1960 г. были исследованы различные случаи взаимодействия струи с телами типовых форм:
• плоскость, сфера и конус ограниченных поперечных размеров (Г. А. Акимов, Б. Н. Собколов, В. С. Кармановский, Н. И. Спирин);
• наклонная плоскость (Н.Н.Соколов, В.Н.Усков, Ю.М.Рудов);
• плоскость, перпендикулярная оси струи (В. Н. Усков, Б. Г. Семилетенко, Л. И. Шуб, И. А. Белов, В. В. Цымбалов, Е. И. Соколов, Б. Ф. Панов, И. В. Шаталов и др.) [8];
• плоскость, конус, сфера в составной струе (Г. А. Акимов, Ю. М. Рудов — докторская диссертация);
• тепловое взаимодействие струи с плоской преградой (В. С. Терпигорьев с 1963 г., В. А. Санников, Ю.В.Комиссаров (стендовые эксперименты), И. А. Белов, В. С. Комаров, Г. Ф. Горшков — докторская диссертация).
4. Течения в донной области ЛА. Экспериментальные исследования были начаты Ю. П. Савельевым и его группой (Г. С. Дедов, Т. Г. Опарина) в 1963; продолжены
A. М. Сизовым, Д. А. Ярцевым (измерительный комплекс), А. Н. Журкиным, Л. В. Чер-нигиным, В.М.Рубиным (исследования на баллистической трассе), В. Б. Рютиным, а также — Н. А. Цеповым и А. А. Тарасюком (установка с подогревом воздуха). Основные теоретические разработки были выполнены Ю. П. Савельевым (докторская диссертация, 1976), А.М.Сизовым (1983), в последующие годы — М.М.Степановым (течение в ближнем следе).
5. Внутрикамерные течения. Первой работой в этом направлении была докторская диссертация Б. А. Райзберга (1964). Ее продолжением и дальнейшим развитием были исследования К. П. Самсонова и В.М.Соболева. Наиболее глубокие исследования в этой области были выполнены В. Н. Емельяновым и обобщены в его докторской диссертации. Результатом деятельности его группы были также опытные данные, полученные на специальном стенде и теоретические разработки (программы), позволившие рассчитывать внутрикамерные процессы тепломассопереноса. Среди учеников и сотрудников В. Н. Емельянова следует назвать Б. Я. Бендерского (д.т.н.), И. П. Кректу-нову, В.Б.Александрова, В. А. Анисимова, К.Н.Волкова, А. А. Патейчука, Ф.Ф.Спиридонова (д.т.н.), А. И. Жеребина и др. К исследованиям внутренних течений относятся и работы группы М. Г. Моисеева (Е. А. Никуличева, В. С. Суминова). С 1960-х гг. ею были выполнены многочисленные экспериментальные работы на специальном стенде по определению расходно-тяговых характеристик сопловых устройств различных типов, исследованы условия отрыва потока от стенок сопла. Теоретические разработки этой группы — программы расчета внутрисоплового пограничного слоя и создание методов определения расходно-тяговых характеристик сопловых насадков.
6. Течения газа в емкостях и каналах. Задачи гидрогазодинамики исследовались аспирантами В.М.Супруном (1962), М.Г.Моисеевым (1963), В.И.Михайловым (1968). Проблемы газодинамики на начальном этапе движения ЛА изучали аспиранты И.А.Белов (1962), В. А. Коробков (1965), Р.Н.Когтев (1967), В.А.Сурин (1968), С. И. Жигач (1969). Наиболее полное исследование этого комплекса проблем выполнил в докторской диссертации Г. Т. Алдошин (1971), который в последующие годы продолжил решение комплексных задач в области прикладной механики совместно с учениками (Б. Э. Кэрт и др.).
7. Плазменные струи. Исследования (с 1967 г.) проводились группой Г. А. Лукьянова. Была создана экспериментальная установка с необходимым приборным обеспечением (Г. В. Петухов) для исследования сверхзвуковых недорасширенных струй разреженного газа и низкотемпературной плазмы и их взаимодействия с поверхностями. Изучались также струи плазмы паров металлов. Было создано новое направление: прикладная плазмодинамика струйных течений. В группе Г. А. Лукьянова работали
B. В. Сахин, В. И. Кислов, С. И. Иголкин, А. П. Курышев, Г. М. Жинжиков, И. В. Шаталов и др. [10].
8. Встречные и спутные струи. Первые расчетные схемы были предложены В. И. Погореловым и О. С. Зеленковым (1966). Детальное исследование встречных струй было проведено Е. И. Соколовым (1976). Изучались ударно-волновая структура струй и условия разрушения устойчивого взаимодействия встречных струйных потоков одинаковой и различной степени нерасчетности. Были получены эмпирические зависимости для определения основных геометрических и газодинамических характеристик струй. Спутные сверхзвуковые струи малой нерасчетности исследовались Б. Н. Собколовым (1968). Была предложена методика приближенного расчета границы раздела спутного
и струйного потоков, а также — способ определения ударно-волновой структуры потока вблизи сопла.
9. Численный эксперимент в задачах аэрогазодинамики. Наиболее полные многопараметрические исследования были проведены (с 1968 г.) И.А.Беловым и его группой. Для взаимодействия равномерных и неравномерных потоков с преградами и телами нестандартной формы были проведены численные эксперименты в широком диапазоне начальных данных. Некоторые результаты этих исследований были опубликованы в монографии "Взаимодействие неравномерных потоков с преградами" (1983). Из группы учеников И.А.Белова следует выделить С.А.Исаева, разработавшего методы управления процессом обтекания тел с помощью организации вихревых и отрывных течений (1993). Выше отмечались также разработки вычислительных программ для решения внутрикамерных задач группой В. Н. Емельянова. Следует отметить цикл его учебно-методических пособий по вычислительным методам [11].
10. Нестационарные газовые течения. Проблемами нестационарной газодинамики занимался (с 1963 г.) А. К. Полубояринов. Его работы и работы его учеников посвящены исследованию распространения плоских и сферических нестационарных ударных волн (Ю. М. Циркунов, А. И. Котов, А. И. Цветков). Были проведены также серии экспериментов на ударной трубе (Ю. С. Марков — 1970-е годы).
Частный случай нестационарного газодинамического процесса — автоколебательный режим при взаимодействии нерасчетной струи с преградой при определенных положениях последней относительно сопла. Это интересное и сложное явление, изучавшееся впоследствии многими авторами, было обнаружено при проведении экспериментов в Механическом институте (1961) А.Л.Исаковым, Б. Н. Собколовым, Г.А.Акимовым и названо "сильной неустойчивостью". В последующие годы его детально исследовали В.Г.Дулов, Б. Н. Собколов, В.Н.Усков, Б. Г. Семилетенко, В. В. Цымбалов, Е.Н.Цым-балова, Е. И. Соколов и др. Было выявлено несколько неустойчивых режимов и предложены механизмы, объясняющие их возникновение [12].
Пульсации газодинамических параметров усиливаются при наличии в преграде полости, ориентированной вдоль оси струи. В газодинамической лаборатории ЛГУ подробные исследования этого эффекта (1980-е гг.) были проведены В. Г. Дуловым, В. Е. Кузьминой, Е. А. Угрюмовым (докторская диссертация).
11. Газодинамика и акустика струйных течений. Это направление в 1970-х гг. начал развивать на кафедре В. К. Ерофеев. Им исследовались нестационарные процессы взаимодействия газовых потоков с полостями для генерации мощного звука. Были проведены многочисленные эксперименты для различных конструктивных схем и режимов течений. В них принимали участие сотрудники и ученики В. К. Ерофеева — В. В. Григорьев, А.В.Савин, В.П.Шалимов. Результаты исследований этой группы применяются в современной технологии [13].
12. Турбулентные струи. Основные исследования были выполнены В. А. Зазимко (с 1970 г.): предложена физическая модель струи, на основе которой были получены расчетные соотношения для определения статистических характеристик газодинамических и электрофизических параметров различных типов турбулентных струй (дозвуковых и сверхзвуковых, расчетных и нерасчетных). Практическая проверка предложенной модели была выполнена его учеником и сотрудником А. В. Клочковым. Следует отметить, что при расчете турбулентных течений в различных задачах использовались и другие модели турбулентности (работы И. А. Белова, С. А. Исаева, В. Н. Емельянова) [14].
13. Двухфазные струи и течения. Первые работы на кафедре были выполнены в начале 70-х гг. Т. Н. Рябининой, Л. И. Шубом, В. А. Коробковым и др.; на основе общих уравнений движения полидисперсной двухфазной смеси рассматривалось стационарное течение в предположении, что эффекты вязкости и теплопроводности проявляются только при взаимодействии с частицами.
В последующие годы двухфазные течения интенсивно исследовались Б. А. Балани-ным, В. А. Лашковым, С. К. Матвеевым (СПбГУ) и Ю. М. Циркуновым (БГТУ). В частности, Ю. М.Циркуновым с сотрудниками (Н.В.Тарасова, А.Н.Волков) был опубликован ряд работ по аэродинамике двухфазных течений, в которых развит "полностью Лагранжев" подход к описанию движения примеси (второй фазы) [15].
14. Газовые струи в технологических процессах. Основные исследования, проводимые на кафедре по струйным течениям, были связаны, как правило, с задачами авиационной и ракетно-космической техники. Вопросы применения газовых струй в металлургических процессах с целью их интенсификации стал развивать с 1970-х гг. А. М. Сизов; было создано новое направление в области газоструйной технологии [16].
Следует также отметить, что под руководством С. И. Жигача в 1990-е годы был создан концерн "Струйные технологии", который занимается разработкой современных газоструйных конструкций и их применением в технологических процессах.
15. Взаимодействие ударных волн. Ударно-волновые структуры, характерные для сверхзвуковых нерасчетных струй, изучались многими учеными (В.Г.Дулов,
A.Л.Исаков, Б. Н. Собколов, Г.А.Акимов, В.Н. Усков, Ю.М.Рудов, А.М.Сизов,
B. Д. Приходько, А. К. Полубояринов, Б. Г. Семилетенко, Л. И. Шуб, Е.И.Соколов и др.). Наиболее полное исследование этой проблемы было выполнено в докторской диссертации В. Н. Ускова (1984). В ней автор детально анализирует течение газа в окрестности точки пересечения ударных волн, их взаимодействие с твердой поверхностью и тангенциальным разрывом. Показывается, что переход от одной конфигурации ударных волн к другой может сопровождаться нестационарными течениями. Поэтому особое внимание уделяется предельным параметрам, при которых могут существовать различные волновые структуры [17].
16. Исследования струйных закрылков. В этом направлении большую исследовательскую работу выполнил В. М. Супрун, его ученики и сотрудники (В. С. Коротков и др.). Ими предложен ряд изобретений, в которых рассматриваются конкретные конструктивные схемы, позволяющие существенно повысить коэффициент подъемной силы струйных закрылков [18].
В многолетней работе по исследованию газоструйных и внутренних течений принимали участие десятки сотрудников кафедры и лаборатории. Полученные результаты обсуждались на еженедельных научных семинарах под руководством И. П. Гинзбурга. По приближенным оценкам, за тридцатилетнюю историю кафедры было проведено свыше тысячи семинаров. Это была подлинная школа научных знаний и опыта. Семинарская форма научного общения полностью соответствовала динамичному характеру И. П. Гинзбурга, который всегда требовательно и, вместе с тем, очень доброжелательно относился ко всем выступающим. Его особой заслугой является организация одиннадцати Всесоюзных семинаров по газодинамике струйных и внутренних течений.
За свою творческую деятельность он подготовил свыше ста двадцати кандидатов наук. При жизни И. П. Гинзбурга четырнадцать его учеников защитили докторские диссертации. Сегодня уже тридцать один представитель его школы имеет высшую ученую степень.
Творческая неутомимость И. П. Гинзбурга позволила ему воспитать большую группу высококвалифицированных специалистов в области прикладной газовой динамики ,в газодинамической лаборатории и на кафедре гидроаэромеханики Ленинградского государственного университета [3].
Многолетний опыт преподавания и результаты собственных достижений в исследовании многих вопросов, связанных с движением жидкости и газа, легли в основу монографий И.П.Гинзбурга: "Прикладная гидрогазодинамика" (1958), "Аэрогазодинамика" (1966), "Теория сопротивления и теплопередачи" (1970), "Трение и теплопередача при движении смеси газов" (1975); все они были рекомендованы для использования в университетах и технических ВУЗах страны в качестве учебных пособий. По инициативе И. П. Гинзбурга и под его редакцией с 1968 г. в рамках "Ученых записок ЛГУ" начал выходить тематический сборник "Газодинамика и теплообмен", в дальнейшем получивший статус межвузовского издания; к настоящему времени опубликовано десять выпусков.
Перечень представителей школы И. П. Гинзбурга следует дополнить именами специалистов в области теоретической и прикладной механики. Это профессора А. Т. Барабанов, В. А. Санников, Е. И. Катин, Е.А. Куклев, А. С.Шалыгин, Ю.З.Алешков, М. Е. Подольский, В. А. Коноплев, начинавшие свою научно-исследовательскую деятельность под руководством И.П.Гинзбурга в 1950-е-60-е годы. В последующие годы докторские диссертации по проблемам динамики управляемых систем защитили О. А. Толпегин, Ю. И. Палагин и С. А. Кабанов.
Ученики И. П. Гинзбурга, продолжая начатую им традицию, систематически проводят международные семинары по вопросам газодинамики. В 2000 году состоялся XVIII семинар "Течение газа и плазмы в соплах, струях и следах", посвященный юбилею основателя научной школы [19].
Научная школа не кончается с уходом из жизни ее основателя. Исследовательская и педагогическая деятельность учеников И. П. Гинзбурга, их сотрудников и аспирантов активно продолжается и в XXI столетии.
Summary
G. A. Akimov. The Development of the Research work in Gas Dynamics field by the School of Professor Isaac P. Ginsburg.
The article is devoted to the development of the Research work in Gas Dynamics field organized by Professor Isaac P. Ginzbburg in the 50s-70s. It deals with the main aspects of the research work in the crucial issues of Gas Dynamics.
Литература
1. Санкт-Петербургский государственный университет. 275 лет. Летопись 1724-1999. СПб.: Изд-во СПбГУ, 1999.
2. Буравцев А. И., Дулов В. Г., Матвеев С. К. Гидроаэромеханика в СПбГУ. Гидроаэромеханика / Под ред. В. Г.Дулова. СПб.: СПбГУ, 1999. С. 6-29.
3. Кочерыженков Г. В., Матвеев С. К. Исаак Павлович Гинзбург (1912-1978) // Гидроаэромеханика (к 275-летию СПбГУ и 70-летию кафедры гидроаэромеханики) / Под ред. В. Г. Дулова. СПб., 1999.
4. Угрюмов Е.А., Цветков А. И. Формирование структуры сверхзвуковой струи // Динамика однородных и неоднородных сред. Л., 1987. С. 55-61.
5. Сверхзвуковые газовые струи // Под редакцией В.Г.Дулова. Новосибирск, 1983.
6. Газодинамика и акустика струйных течений / Под ред. В. Г. Дулова. Новосибирск: Наука, 1987.
7. Дулов В. Г., Лукьянов Г. А. Газодинамика процессов истечения. Новосибирск: Наука, 1984. 236 с.
8. Белов И. А. Взаимодействие неравномерных потоков с преградами. Л., 1983.
9. Емельянов В. Н. Развитие внутренней газодинамики РДТТ в работах ЛМИ-БГТУ // Всероссийская научно-практическая конференция "Первые Окуневские чтения". СПб. 3-6 декабря 1997. СПб., 1997 С. 58-61.
10. Лукьянов Г. А. Сверхзвуковые струи плазмы. Л., 1985.
11. Исаев С. А. Численное исследование механизма снижение лобового с передней срывной зоной // ИФЖ. 1986. Т. Ы. №4. С. 555-563.
12. Семилетенко Б. Г., Собколов Б. Н., Усков В. Н. Схема ударно-волновых процессов при неустойчивом взаимодействии струи с преградой // Изв. СО АН СССР. Сер. Техн. наук. 1972. №13. Вып. 3. С. 39-41.
13. Ерофеев В. К., Воробьева Г. А., Генкин П. Г. Технологии, оборудование и результаты аэротермоакустической обработки металлов и сплавов // Прикладные проблемы механики жидкости и газа: Материалы Х международной научно-технической конференции ученых России, Белоруссии, Украины, 17-22 сентября 2001 г. Севастополь: СевГТУ, 2001. С. 74-78.
14. Зазимко В. А., Клочков А. В. Метод расчета сверхзвуковых турбулентных струйных течений. Газодинамика и теплообмен // Динамика неоднородных и сжимаемых сред: Межвуз. Сб. Л. 1984. С. 136-147.
15. Циркунов Ю. М. Моделирование течений примеси в задачах двухфазной аэродинамики. Эффекты пограничного слоя // Моделирование в механике. 1993. Т. 7. №2. С. 151-193.
16. Сизов А. М. Газодинамика и теплообмен струй в металлургических процессах. М., 1987. 256 с.
17. Усков В. Н. Ударные волны и их взаимодействие: Уч. пособие. Л.: Изд. Ленингр. механ. ин-та, 1980. 88 с.
18. Супрун В. М. Эффективные экспериментальные способы определения коэффициента подъемной силы аэродинамических профилей с импульсной струей // Труды ВАУ ГА. Л. 1969. Вып. 38. С. 3-14.
19. Акимов Г. А. Гинзбург И. П. — основатель научной школы. Течения газа и плазмы в соплах, струях и следах // Тезисы докладов XVIII Международного семинара. 21-23 июня 2000 года. СПб.: БГТУ, 2000. С. 13-14.
Статья поступила в редакцию 14 октября 2003 г.
