Аналитическое исследование тройных конфигураций скачков уплотнения с возможностью импульсного энерговыделения

Язык труда и переводы:
УДК:
621.452.22
Дата публикации:
04 марта 2023, 17:39
Категория:
Секция 07. Развитие космонавтики и фундаментальные проблемы газодинамики, горения и теплообмена
Авторы
Савелова Карина Эдуардовна
БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова
Чернышов Михаил Викторович
БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова
Аннотация:
На примере стационарной маховской конфигурации проведено аналитическое исследование тройных конфигураций скачков уплотнения с возможностью импульсного энерговыделения. Выявлено существенное влияние энергоподвода на возможность образования стационарной маховской конфигурации и нерегулярного (маховского) отражения скачков уплотнения. Показано, что энергоподвод на главном скачке уплотнения существенно повышает возможности маховского отражения, расширяет область существования тройных конфигураций, в том числе за пределы известной области дуализма (сосуществования решений для обоих видов отражения косых скачков в установившихся течениях). В частности, организация энергоподвода приводит к возможности нерегулярного отражения даже тех скачков, которые в обычных условиях отражаются только регулярно.
Ключевые слова:
ударно-волновые структуры, скачки уплотнения, тройные конфигурации, маховское отражение, энергоподвод, детонация
Основной текст труда

Для практической реализации реактивных двгателей смешанного типа, предложенных в [1–3], необходим теоретический анализ условий существования, устойчивости и параметров течения за тройными конфигурациями, возникающими при нерегулярном (маховском) отражении скачков уплотнения с импульсным энерговыделением на главном скачке. Модельным примером такой структуры, наиболее простым и доступным теоретическому анализу, является стационарная маховская конфигурация (СМК) с прямым главным скачком, соответствующая критерию фон Неймана («критерию механического равновесия») перехода от маховского отражения к регулярному [4].

Результаты проведенного анализа тройных конфигураций скачков уплотнения, неподвижных в избранной системе координат, могут быть обобщены для конфигураций подвижных ударных и детонационных, в частности, взрывных волн, действующих в неподвижном облаке взрывоопасной смеси или в потоке этой смеси, индуцированном волной ее предварительного распыления. Такое обобщение представляется полезным для решения ряда задач пожаровзрывобезопасности горючих смесей и прочности конструкций, подвергаемых взрывному воздействию (в частности, в двигательных установках летательных аппаратов).

Тройные конфигурации скачков уплотнения представляют собой ударно-волновые структуры, состоящие из трех скачков (ударных волн, неподвижных в выбранной системе координат), имеющих общую (тройную) точку и тангенциального разрыва, исходящего из этой точки и разделяющего потоки [5, 6]. Так как за главным (маховским) скачком уплотнения наблюдается повышенная температура, там вполне могут организоваться химические реакции горения [2, 7], возникать детонационные процессы. Указанное явление может быть использовано для создания реактивных двигателей комбинированного типа [1–3] с разделением потоков за отраженным косым и главным (маховским) скачками, каждый из которых обладает своими достоинствами и может быть использован в разных термодинамических циклах.

Учитывая, что в первую очередь, энергоподвод возникает в течении за главным скачком, именно к этому скачку применяется известная модель Зельдовича — Деринга — Неймана [8] с мгновенным импульсным энергоподоводом, наличие которого существенно трансформирует привычную ударную поляру [9].

Проведенный теоретический анализ показывает, что энергоподвод на главном скачке существенно повышает возможности образования маховского отражения, расширяет область его существования. При небольших числах Маха, когда решение для стационарного маховского отражения в обычных условиях отсутствует, наличие импульсного энергоподвода за головным скачком позволяет ему существовать в любом сверхзвуковом потоке [10].

В дальнейшем планируется провести полный параметрический анализ всех видов тройных конфигураций скачков уплотнения с возможностью импульсного энерговыделения, теоретический анализ соотношений параметров потоков, образующихся за тройной точкой и разделенных тангенциальным разрывом, а также выявить и реализовать тройные конфигурации, оптимальные для решения поставленных инженерных задач.

Грант
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (НИР «Создание опережающего научно-технического задела в области разработки передовых технологий малых газотурбинных, ракетных и комбинированных двигателей сверхлегких ракет-носителей, малых космических аппаратов и беспилотных воздушных судов, обеспечивающих приоритетные позиции российских компаний на формируемых глобальных рынках будущего», FZWF-2020-0015).
Литература
  1. Иванов М.С., Кудрявцев А.Н., Троцюк А.В., Фомин В.М. Способ организации детонационной камеры сгорания сверхзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя. Пат. RU 2285143 С2 Российская Федерация. 2006, 8 с.
  2. Savelova K.E., Alekseeva M.M., Matveev S.A., Chernyshov M.V. Shock-wave structure of prospective combined jet engine. Journal of Physics: Conference Series, 2021, vol. 1959, paper no. 012043, 9 p.
  3. Chernyshov M.V., Murzina K.E., Matveev S.A., Yakovlev V.V. Shock-wave structures of prospective combined ramjet engine. IOP Conf. Series: Materials Science Engenering, 2019, paper no. 618 012068, 11 p.
  4. Адрианов А.Л., Старых А.Л., Усков В.Н. Интерференция стационарных газодинамических разрывов. Новосибирск, Наука, 1995, 180 с.
  5. Ben-Dor G. Shock Wave Reflection Phenomena. Berlin – Heidelberg – NewYork, Springer, 2007, 342 p.
  6. Усков В.Н., Чернышов М.В. Особые и экстремальные тройные конфигурации скачков уплотнения. Прикладная механика и техническая физика, 2006, т. 47, № 4, с. 39–53.
  7. Bulat P.V., Prodan N.V. Overview of projects of detonation engines. Pulse ramjet engine. Fundamental Research, 2013, vol. 10, no. 8, pp. 1667–1671.
  8. Зельдович Я.Б., Компанеец А.С. Теория детонации. Москва, Гос. изд-во техн.-теоретич. лит., 1955, 268 с.
  9. Денисов Ю.Н. Газодинамика детонационных структур. Москва, Машиностроение, 1989, 176 с.
  10. Chernyshov M.V., Kapralova A.S., Matveev S.A., Savelova K.E. Stationary Mach Configurations with Pulsed Energy Release on the Normal Shock. Fluids, 2021, vol. 6, issue 12, paper no. 439, 16 p.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.