Распространение ударных волн в неоднородных газовых средах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.05, кандидат физико-математических наук Сутырин, Олег Георгиевич

• Сутырин, Олег Георгиевич
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Сутырин, Олег Георгиевич

Введение

1. Обзор публикаций по теме диссертации

2. Постановка задачи и методика расчета

2.1. Постановка задачи в декартовой и цилиндрической системах координат

2.2. Верификация метода .:.

2.3. Локальное измельчение расчетной сетки.

3. Взаимодействие ударной волны с четвертью пространства, занятой газом повышенной или пониженной плотности

3.1. Постановка задачи и регулярные режимы преломления.

3.2. Нерегулярное преломление скачка на «легком» газе .42.

3.3. Оценка основных параметров течения.

3.4. Нерегулярное преломление скачка на «тяжелом» газе.

4. Взаимодействие ударной волны с узким слоем или каналом повышенной или пониженной плотности.

4.1. Постановка задачи и регулярные режимы преломления.

4.2. Нерегулярное преломление скачка на «легком» слое.

4.3. Нерегулярное преломление скачка на «тяжелом» слое.

5. Взаимодействие ударной волны с клиновидной областью газа повышенной или пониженной плотности.

5.1. Постановка задачи и регулярные режимы преломления.

5.2. Нерегулярное преломление скачка на «легком симметричном клине».

5.3. Нерегулярное преломление скачка на «тяжелом симметричном клине»

5.4. Нерегулярное преломление скачка на несимметричном «легком клине» .75 6. Взаимодействие ударной волны с эллипсоидальной областью газа повышенной или пониженной плотности.

6.1. Постановка задачи и регулярные режимы преломления.

6.2. Нерегулярное преломление скачка на «горячем эллипсоиде»

6.3. Нерегулярное преломление скачка на «холодном эллипсоиде»

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Распространение ударных волн в неоднородных газовых средах»

Многим физическим явлениям, связанным с движением газов и других сред, сопутствует формирование и взаимодействие ударных волн. Такие явления имеют широкое распространение в природе и технике, что обуславливает необходимость исследований ударно-волновых процессов. Одним из важнейших направлений исследований является изучение взаимодействия ударных волн с неоднородностями среды различного характера: областями повышенной температуры, границами раздела сред, пылевыми облаками и другими. Примеры таких неоднородностей встречаются в задачах о прохождении отраженной от поверхности земли ударной волны через облако ядерного взрыва, отражении подводной взрывной волны от поверхности океана, взрыве в пузырьковой жидкости, прохождении ударной волны по запыленной шахте.

Наличие неоднородностей перед ударной волной может приводить к качественным изменениям в ходе течения, включая такие явления как искривление фронта волны, формирование новых ударных волн, высоконапорных струй и крупномасштабных вихрей, отрыв пограничных слоев, кумуляция струй и ударных волн. Известным эффектом является формирование предвестника -крупномасштабной ударно-волновой структуры, опережающей основной фронт волны - при распространении ударной волны вдоль узкого слоя газа повышенной температуры или пограничного слоя [1-42]. Если газ в слое имеет повышенную плотность или содержит частицы пыли, фронт волны искривляется назад и за ним формируется развитое вихревое течение с переходом частиц во взвешенное состояние [43-46]. Взаимодействие косой ударной волны с границей раздела сред может привести к развитию сложных нестационарных ударно-волновых конфигураций [47-59]. Прохождение ударной волны по среде, содержащей пузырь газа или каплю жидкости приводит к искривлению фронта волны, кумуляции скачков уплотнения и развитию множественных вихрей [604

91]. Появление неоднородностей может быть вызвано как изначальной гетерогенностью среды, так и внешним энерговкладом [30-35,42], электрическими разрядами [88,99], лазерными импульсами [74] или предварительным прохождением ударной волны [24-29]. Подробный обзор работ по взаимодействию ударных волн в газах с неоднородностями различных видов выполнен в главе I.

В настоящей работе проведено теоретическое исследование ряда известных и новых задач о взаимодействии сильных ударных волн в газах с неоднородностями плотности различных геометрических конфигураций: четвертью пространства, узким слоем (каналом), «газовым клином» и эллипсоидальным пузырем. Обнаружены новые газодинамические эффекты, получены новые элементы ударно-волновых конфигураций, изучена качественная и количественная зависимость характеристик течений от определяющих параметров задач, предложена полуэмпирическая модель оценки основных параметров течения.

Цель работы состоит в следующем:

• Исследовать газодинамику взаимодействия плоской ударной волны с четвертью пространства, занятой газом пониженной или повышенной плотности. Определить режимы и основные качественные характеристики нестационарного двумерного автомодельного течения.

• Исследовать взаимодействие ударной волны с узким слоем или цилиндрическим каналом газа пониженной или повышенной плотности. Определить динамику течения на больших временных интервалах.

• Изучить преломление ударной волны на симметричном и несимметричном «газовом клине» повышенной или пониженной плотности. Определить различные режимы течения в зависимости от плотности газа и угла раствора клина, вплоть до очень малых углов.

• Исследовать распространение ударной волны по газу, содержащему цилиндрическую или эллипсоидальную область газа пониженной или повышенной плотности. Детально изучить процесс кумуляции- скачков уплотнения, определить зависимость интенсивности кумуляции от геометрических параметров задачи.

Структура работы; Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы из 119 наименований. Диссертация изложена на 108 страницах, содержит 170 рисунков и одну таблицу.

Заключение диссертации по теме «Механика жидкости, газа и плазмы», Сутырин, Олег Георгиевич

Заключение

Проведено исследование взаимодействия ударной волны с четвертью пространства, занятой газом повышенной или пониженной плотности. Выявлены качественно различные — регулярные и нерегулярные — режимы течения в зависимости от плотности газа внутри неоднородности. Найдены новые элементы ударно-волновой структуры, включающие высоконапорную струю, сформированную чередующимися центрированными волнами сжатия-разрежения, и крупномасштабный слоистый вихрь. Течение в окрестности основания струи является нестационарным аналогом известного режима взаимодействия скачков уплотнения Еёпеу-1У. Проведена внутренняя верификация расчетов с помощью проверки автомодельности получаемых решений. Предложен «почти аналитический» метод оценки основных параметров течения.

Изучено преломление ударной волны на узком слое газа иной плотности. Обнаружено, что «предвестник», формирующийся при пониженной плотности газа в слое, имеет постоянную скорость роста на большом отрезке времени, однако позднее рост замедляется в результате запирания потока во внутреннем течении. В случае слоя газа повышенной плотности найдены качественно различные режимы течения, характеризующиеся формированием сверхзвуковой струи газа постоянной ширины или струи с периодической «бочкообразной» структурой.

Проведено исследование взаимодействия ударной волны с газовым клином различной плотности и угла раствора. Найден ряд регулярных, нерегулярных и маховских режимов преломления волны. В случае легкого газового клина очень малого угла раствора отмечена аналогия со структурой предвестника и обнаружено отсутствие эффекта запирания потока. Найдены новые качественные эффекты, имеющие место при преломлении ударной волны на несимметричном газовом клине.

Изучено взаимодействие ударной волны с эллипсоидальными и цилиндрическими областями газа иной плотности. Обнаружены новые режимы течения в зависимости от определяющих параметров задачи. Выделены качественно различные режимы кумуляции скачков уплотнения на оси симметрии — внутренние, внешние и пограничные. Определена зависимость максимальных параметров газа, достигаемых при кумуляции скачков уплотнения, от удлинения эллипсоида. Выявлено, что в случае газа пониженной плотности наиболее интенсивным является пограничный режим кумуляции, а в случае повышенной плотности — внутренний режим.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Сутырин, Олег Георгиевич, 2011 год

1. R.G. Shreffler, R.H. Christian Boundary disturbances in high explosive shock tubes // Journal of Applied Physics. 1954. V.25. №3. p.324-331.

2. M.A. Садовский, B.B. Адушкин Влияние нагретого пристеночного слоя на параметры ударной волны. // Доклады академии наук СССР. 1988. Т.300. №1. с.79-83.

3. В.И. Артемьев, И.Э. Маркович, И.В. Немчинов, В.А. Суляев Двумерное автомодельное движение сильной ударной волны над нагретой поверхностью // Доклады академии наук СССР. 1987. Т.293. №5.

4. К.Е. Губкин Распространение взрывных волн // Механика в СССР за 50 лет. 1970: Т.2. с.289-311.

5. В.И. Бергельсон, ИВ. Немчинов, Т.И. Орлова, В.А. Смирнов, В.М. Хазинс Автомодельное развитие предвестника перед ударной волной, взаимодействующей с теплым слоем // Доклады академии наук СССР. 1987. Т.296. №3.

6. В.И. Артьемьев, В.И. Бергельсон, А.А. Калмыков, ИВ. Немчинов, Т.И. Орлова, В.А. Рыбаков, В.А. Смирнов, В.М. Хазинс Развитие предвестника при взаимодействии ударной волны со слоем пониженной плотности // Механика жидкости и газа. 1988. №2.

7. В.И. Бергельсон, И.В. Немчинов, Т.И Орлова, В.М. Хазинс Автомодельные течения при мгновенном энерговыделении в газе, содержащем каналы пониженной плотности // Доклады академии наук СССР. 1987. Т.305. №5.

8. В.И: Бергельсон, ИВ. Немчинову Т.Ш Орлова, В.М. Хазинс Развитие предвестников, образующихся? при взаимодействии УВ с газовыми каналами пониженной плотности // Физика горения и взрыва. 1990; №2. с. 128-135:

9. В.Иj Бергельсон, ЮН. Киселев, В.А. Клумов, И.В: Немчинов, Т.Ш Орлова и др; Взаимодействие ударной волны с пристеночным слоем // Прикладная механика и теоретическая физика. 1993. №3. с.32-40.

10. Х.В.И. Артемьев, С.А. Медведюк, В.А.Рыбаков Взаимодействие ударной» волны с наклонным нагретым каналом // Математическое моделирование. 1993; Т.5. №12.

11. Х2.В.И. Бергельсон, И.В. Немчинов; Т. И. Орлова, В Ж: Хазинс Распространение сильных: ударных волн? в локально-неоднородных конденсированных средах // Письма в ЖТФ. 1990. Т. 16. №20. с.72-75.

12. А.В.И. Бергельсон, И.В. Немчинов; Т.Ш Орлова, Разине. Индуцированное вихреобразование и перемешивание, сверхзвуковых течений // Доклады > академии наук С(2(ЕР. 1993. Т.331. №4lc.439-^^^

13. В.И. Бергельсон; И.В. Немчинов; Т.Ш Орлова, В.М. Хазинс: Фокусировка ударной волны в ■ конденсированных средах с использованием-j эффекта' «теплового слоя»//Математическое моделирование. 1993.Т.5. №12.

14. В.Н. Зудов Взаимодействие:ударной волны с; дозвуковым нагретым слоем // Письма в ЖТФ. 2010. Т.36. №18.

15. Х1.П.А. Войнович, H.B. Еетюхип, А.И. Жмакин, АД. Марголин, A.A. Фурсенко и др. Расслоение ударных волн в неоднородных средах // Физика горения и взрыва; 1987. №1. с.77-80:

16. П.А. Войнович, А.И. Жмакин, A.A. Фурсенко Моделирование взаимодействия ударных волн в газах с пространственными неоднородностями параметров // Журнал технической физики. 1988. Т.58: №7. с.1259-1267.

17. Х9.Н.А. Остапенко О взаимодействии сильных ударных волн со слабыми скачками уплотнения малой интенсивности // Доклады академии наук. 2000; Т.З 72. №2. с. 181-184.

18. И.А. Знаменская, И.Э. Иванов, ЕЮ. Коротеева, ДМ. Орлов Газодинамические явления при взаимодействии ударной волны с остывающею плазмой! импульсного поверхностного разряда // Доклады академии наук. 2011. Т.439. №5. с.609-612.

19. И.А. Знаменская, Д.Ф. Латфуллин, АЕ. Луцкий, ИВ. Мурсенкова,. H.H. Сысоев Развитие газодинамических возмущений из; зоны, распределенного^ поверхностного скользящего разряда // Журнал технической; физики. 2007i Т.77. №5. с.10-18.

20. JI.B. Дородницын Численное моделирование расщепления отраженного скачка уплотнения // М.: ИПМ им. М. В. Келдыша, препр. № 4. 1991.

21. К Takano Simulation for ionizing reflected shock waves in argon in a shock tube // Current topics in shock waves. Proc. 17-th international symposium on shock waves and shock tubes. Bethlehem. 1989. p.408-413.

22. А.П. Карпенко, B.H. Ляхов, И.Н. Протасов, B.E. Фортов Численное моделирование нестационарного трехмерного течения газа с ударными волнами и отрывом потока от поверхности // Математическое моделирование. 1995. Т.7. №8.

23. П.Ю. Георгиевский, В.А. Левин Управление обтеканием различных тел с помощью локализованного подвода энергии в сверхзвуковой набегающий поток // Механика жидкости и газа. 2003. №5. с. 154-167.

24. В.И. Артъемъев, В.И. Бергельсон, И.В. Немчинов, Т.Н. Орлова, В.А. Смирнов, В.М. Хазинс Изменение режима сверхзвукового обтекания препятствия при возникновении перед ним тонкого разреженного канала // Механика жидкости и газа. 1989. №5.

25. В.И. Артемьев, В.И. Бергельсон, И.В. Немчинов, Т.Н. Орлова, В.А. Смирнов, В.М. Хазинс Эффект «тепловой иглы» перед затупленным телом в сверхзвуковом потоке // Доклады академии наук СССР. 1990. Т.310. №1. с.47-49.

26. ЗЪ.В.И. Бергельсон, С.А. Медведюк, ИВ. Немчинов, Т.Н Орлова, В.М. Хазинс Аэродинамические характеристики обтекаемого тела при различной локализации «тепловой иглы» // Математическое моделирование. 1996. Т.8. №1.

27. O.A. Азарова, В.Г. Грудницкий, Ю.Ф. Колесниченко Численное исследование воздействия тонкого разреженного канала на сверхзвуковое обтекание тел с клиновидным выступом // Математическое моделирование. 2005. Т.17. №10. с.104-112.

28. А. Азарова, В.Г. Грудницкий, Ю.Ф. Колесниченко Стационарное обтекание тел сверхзвуковым потоком газа, содержащим бесконечный тонкий разреженный канал // Математическое моделирование. 2006. Т. 18. №1. с.79-87.

29. В.П. Коробейников, В.В. Марков, И.С. Меньшов-Численное моделирование распространения ударных волн по неоднородной пылегазовой смеси // ДокладыIакадемии наук СССР. 1986. Т.290. №4.

30. И.С. Меньшов Задача о поршне в стратифицированном газе со слабо изменяющимися параметрами // Прикладная математика и механика. 1982. Т.46. №3. с.429-434.

31. C.J. Catherasoo, B. Sturtevant Shock dynamics in non-uniform media // Journal of Fluid Mechanics. 1983. Y.127. p.539-561.53 .D.W. Schwendeman Shock dynamics in non-uniform media // Journal of Fluid Mechanics. 1988. V.188. p.383-410.

32. A.M. Abf-el-Fattah, L.F. Henderson, A.Lozzi Precursor shock waves at a slow-fast gas interface // Journal of Fluid Mechanics. 1976. V.76. p.157-176.

33. A.M. Abf-el-Fattah, L.F. Henderson Shock waves at a slow-fast gas interface // Journal of Fluid Mechanics. 1978. V.86. p.79-95.

34. A.M. Abf-el-Fattah, L.F. Henderson Shock waves at a fast-slow gas interface // Journal of Fluid Mechanics. 1978. V.86. p. 15-32.

35. R.R. Nourgaliev, S. Y. Sushchikh, T.N. Dinh, T. G. Theofanous Shock wave refraction patterns at interfaces // International Journal of Multiphase Flow. 2005. №31. p.969-995.

36. G. Rudinger Shock wave and flame interaction // Proc. Combustion and Propulsion, Third AGARD Coll. London. 1958. p.153-182.

37. G. Rudinger, L.M. Somers Behaviour of small regions of different gases carried in accelerated gas flows // Journal of Fluid Mechanics. 1960. V.7. №2. p.161-176.

38. J.-F. Haas, B. Sturtevant Interaction- of weak shock waves with cylindrical and spherical gas inhomogeneities // Journal of Fluid Mechanics. 1987. V.181. p.41-76.

39. J.JV. Jacobs Shock-induced mixing of a light-gas cylinder // Journal of Fluid Mechanics. 1992. V.234. p.629-649.

40. J. W. Jacobs The dynamics of shock accelerated light and heavy gas cylinders // Physics of Fluids. 1993. V.5. №9. p.2239-2247.

41. G. Layes, G. Jourdan, L. Houas Distortion of a Spherical Gaseous Interface Accelerated by a Plane ShockWave // Physical Review Letters. 2003. V.91. №17.

42. G. Layes, G. Jourdan, L. Houas Experimental investigation of the shock wave interaction with a spherical gas inhomogeneity // Physics of Fluids. 2005. V.17.

43. D. Ranjan, M. Anderson, J. Oakley, R. Bonazza Experimental Investigation of a Strongly Shocked Gas Bubble // Physical Review Letters. 2005. V.94.

44. B.A. Андрущенко, JT.A. Чудов Взаимодействие плоской ударной волны со сферическим объемом горячего газа // Механика жидкости и газа. 1988. №1. с.96-100.

45. В.А. Андрущенко О прохождении сферических ударных волн через термик // Инженерно-физический журнал. 1989. Т.57. №2. с.270-274.

46. А.Георгиевский П.Ю., Левин В.А. Нестационарное взаимодействие сферы с атмосферными температурными неоднородностями в сверхзвуковом потоке // Механика жидкости и газа. 1993. № 4. С. 174-183.

47. Е. Schulein, А.А. Zheltovodov, Е.А. Pimonov, M.S. Loginov Experimental and Numerical Modeling of the Bow Shock Interaction with Pulse-Heated Air Bubbles // International Journal of Aerospace Innovations. 2010. V.2. №3. p. 165-187.

48. J. Yang, T. Kubota, E. Zukoski A model for characterization of a vortex pair formed by shock passage over a light-gas inhomogeneity // Journal of Fluid Mechanics. 1994. V.258. p.217-244.

49. G. Layes, O. LeMetayer Quantitative numerical and experimental studies of the shock accelerated heterogeneous bubbles motion // Physics of Fluids. 2007. V.19.

50. R. Samtaney, J. Ray, N.J. Zabusky Baroclinic circulation generation on shock accelerated slow/fast gas interfaces // Physics of Fluids. 1998. V.10. №5.

51. G. Peng, N.J. Zabusky, S. Zhang Vortex-accelerated secondary baroclinic vortic-ity deposition and late-intermediate time dynamics of a two-dimensional Richtmyer— Meshkov interface // Physics of Fluids. 2003. V.15. №12.

52. N.J. Zabusky, S.M. Zeng Shock cavity implosion morphologies and vortical projectile generation in axisymmetric shock-spherical fast-slow bubble interactions // Journal of Fluid Mechanics. 1998. V.362. p.327-346.

53. D. Fabre, L. Jacquin Linear interaction of a cylindrical entropy spot with a shock // Physics of Fluids. 2001. V.13. №8.

54. A. Bagabir, D. Drikakis Mach number effects on shock-bubble interaction // Shock Waves. 2001. №3. p.209-218.

55. Ю.В. Туник Тепловое экранирование сферы от воздействия сильной ударной волны // Механика жидкости и газа. 2007. №2. с.154-161.

56. R.W. MacCormack The effect of viscosity in hypervelocity impact cratering // AIAA Paper. 1969. № 354. 6p.

57. Жмакин A.M., Попов Ф.Д., Фурсенко A.A. Метод сглаживания- при расчете разрывных течений газа // Алгоритмы и математическое обеспечение для физических задач. Л.: ФТИ АН СССР. 1977. Т.2. С. 65-72.

58. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей // М.: «Мир», 1991, Т.1,2.

59. Черный Г.Г. Газовая динамика: Учебник для университетов и втузов. // М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988.

60. Мануйпович И.С. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.ф.-м.н. (http://mech.math.msu.su/~snark/files/vak/arsO.pdf) 2010.

61. H. Hornung Regular and Mach Reflection of Shock Waves // Ann. Rev. Fluid Mech. 1986. V.18. C. 33-58

62. П.Ю. Георгиевский, В. А. Левин, О.Г. Сутырин Двумерные автомодельные течения порожденные взаимодействием скачка уплотнения с областями газа пониженной плотности //Изв. РАН. МЖГ. 2010. №2. С. 126-134.

63. П.Ю. Георгиевский, В.А. Левин, О.Г. Сутырин Эффект кумуляции при взаимодействии скачка уплотнения с локальной областью газа повышенной или пониженной плотности // Изв. РАН. МЖГ. 2011. №6. С. 146-154.

64. Сутырин О.Г. Газодинамика взаимодействия ударных волн с областями газа пониженной и повышенной плотности // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. №4. Ч.З Н.Новгород: Изд-во ННГУ им. Н.И. Лобачевского, 2011. С. 1153-1154.

65. Сутырин-О.Г. Развитие предвестника при взаимодействии скачков уплотнения с температурными неоднородностями // Труды конференции-конкурса^ молодых ученых. 8-10'октября 2008 г. / под ред. ак. РАН Г.Г. Черного, проф/ В*.А. Самсонова. 2009. С. 32-39.

66. Georgievsky P., Levin V., Sutyrin O.G. Front Separation Regions Initiated by Upstream Energy Deposition, 46th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno, Nevada, AIAA Paper 2008-1355, 10 p.

67. Georgievskiy P.Yu., Levin V.A., Sutyrin O.G. Instability of Front Separation Regions Initiated by Upstream Energy Deposition // International Conference on the Methods of Aerophysical Research: Proceedings CDROM, Novosibirsk, 2008, 7 p.

68. Georgievsky P.Yu., Levin V.A., Sutyrin O.G. Formation of Separation Zones During the Interaction of a Shock Wave with Thin Temperature Wake // Proc. 10th Workshop on Magneto-Plasma Aerodynamics. / Ed. V.A. Bityurin, Moscow, JIHT RAS, 2011, P. 88-91.

69. П.Ю. Георгиевский, В.А. Левин, О.Г. Сутырин Газодинамика распространения ударных волн в средах с неоднородным распределением плотности //

70. Лаврентьевские чтения по математике, механике и физике. Тезисы докладов. Новосибирск, Институт гидродинамики СО РАН, 2010. С. 202.

71. P. Georgievskiy, V. Levin, О. Sutyrin Interaction of a Plane Shock with Density Inhomogeneities // 19th International Shock Interaction Symposium. Book of Proceedings. 2010. CDROM.