WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

В §3 кратко описаны известные численные технологии решения исследуемых задач механики гетерогенных сред. Обосновывается выбор схем для расчетов многомерных ударно-волновых течений реагирующих двухфазных сред типа газ – частицы: схемы CIP для равновесной газовзвеси, схемы Джентри – Мартина – Дэйли с разностями против потока для дискретной фазы и схемы TVD для газа в неравновесном приближении. Для преодоления проблем численной реализации двумерной схемы TVD в объеме комбинированной геометрии предложена процедура, имеющая сходство с методом фиктивных областей. Методика заключается в проведении расчета в некоторой охватывающей области (канале максимальной ширины) с переустановкой граничных условий согласно положению границ на каждом временном шаге. Изложены результаты тестовых расчетов на последовательности измельчающихся сеток, подтверждающие сходимость метода.

Вторая глава посвящена проблеме взаимодействия УВ со слоем газовзвеси, расположенным на твердой подложке: исследуется влияние частиц на характер отражения УВ внутри слоя и на волновую картину течения газовзвеси в целом в рамках неравновесного по скоростям и температурам приближения.

В §1 анализируется картина течения внутри пылевого слоя при стационарном распространении УВ, то есть отражение наклонной ударной волны от твердой подложки в газовзвеси. В равновесном приближении (предельном случае неравновесного течения при нулевых временах релаксации) получены кривые перехода от регулярного к нерегулярному отражению УВ в смеси газа и частиц пыли, обобщающие известные критерии отражения в газовых средах.

Установлено влияние массовой загрузки и объемного содержания частиц на тип отражения УВ (регулярное или маховское), который для газовых смесей связывается с углом падения ударной волны и числом Маха набегающего потока.

Показано, что влияние частиц на волновую картину и переход от регулярного типа отражения к нерегулярному имеет место как за счет изменения пока зателя адиабаты смеси (при измене m2 = 0.n нии массовой загрузки), так и за счет m2 = 0. m2 = 0.изменения объема, занятого части m2 = 0.цами, в общем объеме смеси.

n В §2 второй главы на основе численного моделирования распроn странения УВ вдоль слоя пыли в плоском канале в рамках равновес- n ной и неравновесной моделей механики гетерогенных сред определено влияние размера частиц (опредеn ляющего процессы скоростной и M2 2.5 3 3.5 4 4.5 температурной неравновесности фаз), Рис. 1. Отражение УВ в газовзвеси.

а также толщины слоя на волновую Линии – аналитические кривые перехода картину, параметры течения и харак(сплошные – без учета объемной доли частиц, тер отражения. Проводится сопосштриховые – с учетом); значки – расчетные тавление ударно-волновых структур, данные (незаполненные – регулярное реализуемых в численных расчетах, отражение, черные – нерегулярное).

с полученными аналитически критериями отражения в плоскости: число Маха – смежный угол падения УВ (рис. 1). Определены границы применимости равновесной модели (расчетные данные согласуются с «равновесной» кривой только при значениях числа M < 2.5). Установлено существенное влияние процессов релаксации на характер отражения УВ в слое газовзвеси.

Проанализировано влияние формы переднего края и поперечной неоднородности пылевого слоя на смесеобразование. Установлено, что наличие поперечной неоднородности пылевого слоя способствует развитию неустойчивости на границе слоя и газа. При увеличении концентрации частиц к границе слоя имеет место значительный рост высоты подъема пыли.

Результаты расчетов по неравновесной модели, касающиеся влияния формы облака на высоту подъема пыли, обобщают известные результаты других авторов (Федоров А.В., Федорова Н.Н., Федорченко И.А., Фомин В.М.), полученные в рамках равновесной модели.

В третьей главе исследовалась задача о выходе ударной волны в газовзвеси за обратный прямоугольный уступ. Численный расчет проводился в рамках неравновесной модели механики гетерогенных сред, при этом анализировалось влияние процессов релаксации фаз на волновую картину.

y, м y, м 0.015 0.0.0.0.005 0.0 0 x, м x, м 0.005 0.01 0.015 0.005 0.01 0.а б Рис. 2. Дифракция ударной волны на обратном уступе в газовзвеси с частицами размером 1 мкм.

а – поле плотности газа, б – частиц; M = 3, t = 16 мкc.

Сравнением полученных данных для смеси и чистого газа установлено, что в целом волновые картины течения подобны и содержат те же элементы структуры: вихрь, вторичный скачок и волну разрежения (рис. 2, а). Однако присутствие частиц существенно влияет на форму и размеры структур течения и обусловливает появление дополнительных феноменов. В частности, за уступом образуется зона разрежения, практически свободная от частиц (средняя плотность частиц меньше 0.05 кг/м3) и слой повышенной плотности частиц, примыкающий к контактной поверхности (средняя плотность частиц достигает значения 5.36 кг/м3) (рис. 2, б).

Дано физическое объяснение этому эффекту сепарации частиц, которое основано на инерционных свойствах частиц в потоке с резкими изменениями параметров несущего газа. Обсуждается отличие наблюдаемого -слоя (который формируется вблизи контактного разрыва) от известных из литературы слоев (Коробейников В.П., Марков В.В. и др.), образующихся при распространении ударных и детонационных волн.

Варьированием параметров смеси и УВ определено влияние интенсивности УВ, массовой загрузки смеси частицами и их размера на характеристики течения в газовзвеси. Показано, что наиболее выраженное отличие картин течения пылевзвесей от газовых смесей имеет место в интервале времен, когда характерные размеры образующихся структур сопоставимы с масштабами зон релаксации В главе 4 исследуется процесс дифракции плоской детонационной волны в однородной стехиометрической взвеси мелких частиц алюминия в кислороде на обратном уступе плоского канала. Ранее в газовых смесях экспериментально и теоретически найдены три режима распространения детонации за уступом, которые классифицируются как докритический, критический и закритический.

Переход от одного режима к другому в одной и той же газовой смеси зависит от геометрических параметров канала. В настоящей главе для тестирования метода расчета проводится сравнение полученных для газовзвеси численных результатов с расчетными картинами детонации газовых смесей, представленными в работе Arienti M., Shepherd J.E. При этом получено удовлетворительное согласование. В общем случае анализируется влияние размера частиц, обусловливающего масштабы зон скоростной, тепловой и химической релаксации, а также геометрических параметров канала на волновую картину и режимы распространения.

Представлены результаты расчетов для частиц диаметром от 1 до 3.5 мкм и значений ширины канала H1 от 0.01 м до 0.15 м. Показано, что и в газовзвесях можно выделить три режима распространения детонации: с полным срывом, с частичным срывом и с непрерывным распространением детонации за уступом.

а б в г Рис. 3. Влияние вихря на форму фронта горения.

d = 3.5 мкм, H1 = 0.03 м, t = 0.14 мс (а, б); d = 2 мкм, H1 = 0.01 м, t = 0.14 мс (в, г);

а, в – численные шлирен-картины; б, г – линии тока и фронт горения.

Установлены существенные отличия волновой картины в докритических режимах от аналогичных детонационных течений в газах, определяемые влиянием процессов релаксации фаз. Показано, что в зависимости от размера частиц могут значительно различаться форма фронта и структуры течения в пристенной области. Различные конфигурации фронта горения в области за уступом обусловлены взаимодействием релаксационных зон и формирующегося вихря.

В смеси крупных частиц обширная зона между фронтом лидирующей УВ и фронтом горения частично перекрывается с областью, занятой вихрем. Это приводит к изгибу фронта горения и развороту его пристенного участка в сторону угла расширения (рис. 3, а,б). При уменьшении размера частиц вихревая зона и комплекс лидирующей УВ с примыкающей зоной релаксации и горения в пристенной области развиваются отдельно, в результате чего фронт горения не попадает под влияние вихря и упирается в стенку (рис. 3, в,г). Данный результат представляет практический интерес, поскольку форма фронта горения оказывает влияние на температуру потока в пристеночной области и нагрев стенки.

Также выявлены такие особенности течения газовзвесей (общие с газовыми смесями) как: развитие поперечных волн на всей протяженности фронта при распространении детонационных волн в закритическом режиме; восстановление детонации после временного разделения фронта на два участка в результате формирования на границе участков поперечной волны и ее отражения от боковой стенки.

Из анализа данных многочисленных расчетов получена карта режимов распространения детонации при дифракции на обратном прямоугольном уступе в плоскости параметров: ширина выходного канала – размер частиц (рис. 4). Установлено, что переход от одного реРис.4. Карта режимов распространения жима к другому в газовзвеси опредетонации при дифракции на обратном уступе. деляется как геометрией выходного Незаполненные символы обозначают закритиканала, так и размером частиц.

ческий режим, наполовину заполненные – критический, заполненные – докритический.

В пятой главе рассматривается задача о распространении детонации в газовзвесях в плоских каналах с разрывом сечения.

Исследованы режимы перехода детонации из узкой части канала в широкую часть при варьировании геометрических параметров канала и размеров частиц. Найдены возможные варианты развития течения после отражения дифрагированной волны от стенки широкой части канала в различных режимах, описанных в четвертой главе.

Показано, что в закритическом и критическом режимах присутствие стенки широкой части канала не приводит к смене режима, но влияет на период формирования регулярной ячеистой структуры.

В докритическом режиме развитие течения определяется местоположением стенки широкой части канала.

При значительном расстоянии между ударной волной и фронтом горения в момент отражения дифрагированной волны от стенки воспламенения частиц в пристеночной области не происходит, детонация не развивается (рис. 5). При этом отраженная УВ индуцирует развитие неустойчивости типа Рихтмайера – Мешкова вдоль всей линии фронта горения.

Восстановление детонации под воздействием отраженной волны (рис. 6) возможно при уменьшении размера широкой части канала H2 (как и в газовых смесях). После восстановления детонации формирование вторичной поперечной волны, а затем и развитие ячеистой детонации аналогично случаям закритических и критических режимов.

а б в г Рис. 5. Затухание детонации в докритическом режиме при H2 = 0.132 м.

t = 0.42 мс (а, б), 0.7 мс (в, г); а, в – численные шлирен-картины, б, г – поля температуры газа.

а б в г Рис. 6. Восстановление детонационного процесса при докритическом режиме.

H2 = 0.066 м, t = 0.24 (а), 0.28 (б), 0.32 (в), 0.5 мс (г).

Сформированные за разрывом сечения ячеистые структуры детонации сравнивались со структурами, которые получены при численном моделировании в плоских каналах из развития малых возмущений на фронте плоской детонации (Федоров А.В., Хмель Т.А.). Во всех рассмотренных режимах размер ячейки в каналах с разрывом сечения несколько превышает размер ячейки при формировании в соответствующем плоском канале. Выдвинута гипотеза об определяющем влиянии сильной поперечной волны, образующейся при отражении дифрагированной волны от стенки широкой части канала, на структуру течения за фронтом детонации и расстояние между формирующимися вторичными поперечными волнами.

В заключении сформулированы основные выводы диссертации.

Выводы - На основе методов механики гетерогенных сред получено аналитическое решение задачи об отражении наклонной ударной волны от плоскости в гетерогенной смеси газ – твердые частицы с учетом объема частиц. На его основе определены кривые перехода от регулярного к нерегулярному типу отражения, справедливость которых подтверждена результатами численных расчетов в рамках двумерной нестационарной модели течения газовзвеси.

Путем расчетов установлено, что границы применимости равновесного подхода для определения кривых перехода находятся в диапазоне параметров:

диаметр частиц 1 d 10 мкм, число Маха УВ M < 2.5.

- Численно исследованы процессы дифракции ударных волн на обратном уступе в газовзвесях. Выявлены и объяснены механизмы формирования за обратным уступом -слоя и зоны, свободной от частиц. Установлено критическое значение массовой загрузки частиц, равное 0.1, выше которой в смеси необходимо принимать во внимание наличие частиц.

- Установлено, что при дифракции детонационной волны на обратном уступе в газовзвесях можно выделить три режима распространения. Смена режима определяется как геометрией канала, так и размером частиц. Построена карта режимов в плоскости параметров: диаметр частиц – ширина выходного канала. Установлена возможность реализации двух различных конфигураций фронта горения за уступом.

- Численно исследована задача распространения плоской детонации в газовзвесях в канале с разрывом сечения. Выявлены такие особенности течения как: развитие неустойчивости типа Рихтмайера – Мешкова, формирование системы поперечных волн, переход к ячеистой детонации. Установлено влияние диаметра частиц на реинициирование детонации в отраженной ударной волне.

- В рамках физико-математической модели механики реагирующих / инертных гетерогенных сред метод численного моделирования двумерных нестационарных течений газовзвесей адаптирован для расчетов в областях комбинированной геометрии.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах.

1. Федоров А.В., Харламова1 Ю.В. Воспламенение частицы алюминия // Физика горения и взрываю. 2003. Т. 39, № 5. С. 65–68.

2. Харламова Ю.В. Об отражении ударной волны, скользящей вдоль облака пыли // IX Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике:

Аннотации докладов, Т. 2. Нижний Новгород: Изд-во Нижегородского госуниверситета им. Н.И. Лобачевского, 2006. С. 179.

3. Федоров А.В., Харламова Ю.В., Хмель Т.А., Отражение ударной волны в облаке пыли // Физика горения и взрыва. 2007. Т. 43, № 1. С. 121–131.

4. Fedorov A.V., Kharlamova Yu.V., Khmel T.A.Characteristic properties of shock wave diffraction in a variable-area channel in gas-particle mixtures // Int. Conference on the Methods of Aerophysical Research: Proceedings, Part III. Novosibirsk: Publishing House “Parallel”, 2007. P. 156–161.

Ныне Кратова Ю.В.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»