Разработка методов оценки динамического отклика, ударного износа, спектров обтекания высокоскоростного тела при взаимодействии с двухфазным потоком тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.06, кандидат наук Косяк Евгений Григорьевич

• Косяк Евгений Григорьевич
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Косяк Евгений Григорьевич

Введение

1 Аналитический обзор состояния проблемы эрозионного разрушения

1.1 Состояние проблемы

1.1.1 Частица в газовом потоке

1.1.2 Соударение частицы с твёрдым телом

1.1.3 Оптические эффекты в газодисперсном потоке

1.1.4 Электрические эффекты

1.1.5 Установки для моделирования высокоскоростного движения в двухфазной среде

1.1.6 Влияние частиц на структуру фронта головного скачка уплотнения

1.1.7 Начальный период эрозионного разрушения различных материалов при воздействии на них потока твердых или жидких частиц

Выводы

2 Моделирование эрозионного разрушения материалов

2.1 Кинетическая (термоактивационно-прочностная) модель эрозионного разрушения материалов

2.1.1 Термоактивационный механизм разрушения твердых тел и эрозия

2.1.2. Вывод активационно-кинетического уравнения эрозионного разрушения материалов

2.1.3 Расчетный анализ экспериментальных данных и обсуждение результатов

2.2. Моделирование зависимости от угла соударения. Групповое нагружение

Выводы

3 Точечный, короткоимпульсный мощный излучатель для визуализации течений при сверхзвуковом движении в двухфазной среде

3.1. Точечный газодинамический источник света

3.1.1. Лампы взрывного типа

3.1.2 Параметры излучателя на базе взрывной лампы с отражающимся потоком

3.1.2.1 Получение эталона АЧТ при высоких температурах

3.1.2.2 Теневое фотографирование протяженных сверхзвуковых моделей

3.1.2.3 Исследование динамики излучающего газа

3.1.3. Увеличение КПД в малогабаритных взрывных излучателях р сравнению со стандартным компрессором Войтенко

3.1.4 Подобие газодинамических компрессоров

3.1.5 Отсечка излучения после взаимодействия сильной ударной волны в газе с оптически прозрачным транслятором

3.1.5.1 Волновая картина в оптически прозрачных материалах различной формы при импульсном нагружении, характерном при детонации вторичных взрывчатых веществ

3.2. Экспериментальная отработка короткоимпульсного мощного излучателя на базе малогабаритного газодинамического компрессора с отсечкой излучения

3.2.1 Отсечка излучения за счет перемешивания

3.3. Мощный точечный излучатель для задач получения спектров обтекания теневым методом визуализации

Выводы

4 Исследования влияния изменения формы и состояния поверхности летательного аппарата вследствие термомеханического разрушения на аэродинамику

4.1 Постановка опытов для анализа возмущений головной ударной волны за счет присутствия частиц в сверхзвуковом потоке

4.2. Исследование влияния изменения формы и состояния поверхности летательного аппарата вследствие термомеханического воздействия на его

аэродинамику

4.2.1. Общие положения

4.2.2 Исследование влияния шероховатости боковой поверхности

4.2.3 Исследование изменения обводов носовой части

Выводы

Заключение

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов оценки динамического отклика, ударного износа, спектров обтекания высокоскоростного тела при взаимодействии с двухфазным потоком»

Введение

Актуальность. Взаимодействие высокоскоростного запыленного потока с телом возникает при старте ракеты и входе летательного аппарата (ЛА) в запыленную атмосферу, обтекании элементов конструкции запыленным потоком в соплах двигателей твердого топлива, при обработке металлов сверхзвуковой запыленной струей и во многих других случаях.

Обтекание тела высокоскоростным газовым потоком, содержащим конденсированные частицы, сопровождается многообразными эффектами: -значительным увеличением теплообмена между запыленным потоком газа и обтекаемым телом, существенным повышением концентрации частиц в окрестности лобовой поверхности тела, оптическим излучением у поверхности тела, значительной электризацией поверхности тела и частиц, адгезией частиц, прониканием частиц в поверхностный слой тела или эрозией (ударным износом) поверхности тела. Эрозия конструкционных материалов выступает здесь главным ограничением при проектировании современных энергетических и транспортных устройств. Актуальным является как изучение последствий ударного разрушения, проявляющегося в разнообразном виде, зависящем от пластических и акустических свойств преграды и частиц, например, в образовании и слиянии пор, развитии трещин, появлении области больших касательных напряжений и т.д. Важной является разработка новых методов создания одиночных и множественных соударений частицы (частиц) с телом для получения новых данных по уносу при варьировании скоростью, материалами (частиц и преграды), размерами частиц, температурой потока. Иногда также требуется дополнять имеющиеся установки, позволяющие получать экспериментальные данные в обращенной постановке прямым экспериментом для уточнения эффектов, сопровождающих вход тела, движущегося с сформированным спектром обтекания сверхзвукового потока воздуха, в запыленный участок пространства.

Объект исследования - твердое тело в условиях тепломеханического воздействия.

Предмет исследования - методы и техника оценки эрозии высокоскоростных тел под действием частиц и тепловых потоков, и их динамического оклика на эти воздействия.

Цель работы состоит в разработке методов оценки динамического отклика, ударного износа, спектров обтекания высокоскоростного тела при взаимодействии с двухфазным потоком.

Для достижения поставленных целей требуется решить следующие задачи:

1. Изучить существующие результаты экспериментальных и теоретических исследований эрозии конструктивных материалов, подвергаемых воздействию твердых и жидких частиц и предложить новые подходы для уточнения оценки установившегося режима эрозионного износа в зависимости от скорости соударения, включая создание компактной переносной экономичной установки для экспериментального исследования нагружения высокоскоростными имитаторами частиц.

2. Предложить постановку и провести прямой эксперимент с использованием пороховой баллистической установки для получения спектров обтекания затупленного и заостренного тела, движущегося со сверхзвуковой скоростью через зону запыленного воздуха и зону «дождя».

3. Определить влияние шероховатости и изменения геометрии обводов носовой части по результатам экспериментов и определить изменения в коэффициентах тангенциальной силы и центра давления.

Степень достоверности и обоснованность работы обеспечивалась комплексом теоретических и расчётно-экспериментальных исследований, который, базируется на общих принципах фундаментальной науки и научных основах прогрессивной техники и технологии с применением численного моделирования и проведением экспериментальных исследований. Экспериментальные исследования проводились на действующих стендах ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ».

Научная новизна:

1. Предложен метод одиночного и группового нагружения преграды с

использованием газоразрядного устройства и с его помощью получены данные по взрывобезопасности ряда энергонасыщенных материалов.

2. Разработана постановка прямого эксперимента с использованием ствольной баллистической установки прохождения тела со скоростью до М=3 через зону запыленного воздуха, позволившая доказать отсутствие в этих условиях кавернообразования и наличие эффекта отбрасывания налетающих частиц головным скачком со сверхзвуковой скоростью в область невозмущенного газа

3. Предложен обращено-прямой метод изучения изменения аэродинамических характеристик в результате теплоэрозионного уноса материала носовой части летательного аппарата с использованием обдува струей ракетного двигателя твердого топлива и отстрелом в аэробаллистическом тире моделей с номинальными и измененными за обгар обводами.

Практическая значимость:

1. Разработан точечный излучатель с отсечкой светового потока, позволяющий реализовать: импульс длительностью менее 0,5 мкс при яркости выше 90кК для визуализации спектров обтекания тел, движущихся со сверхзвуковой скоростью

2. Отработаны системы испытаний и схемы оптической регистрации теневого изображения около тела, пересекающего зону запыленного воздуха и дождя.

3. Предложены схемы комплексных исследований изменения аэродинамических характеристик летательных аппаратов по результатам моделирования уноса материала конструкции и внешнетраеторным измерениям в аэробаллистическом тире движения модели с соответствующей изменениями в геометрии носовой части и шероховатости боковой поверхности.

4. Предложено разгонное устройство для моделирования одиночного и группового нагружения преграды частицами с заданными скоростями и углами соударения.

5. Предложен метод бесконтактного измерения яркостной температуры в

полигонных условиях и получены данные, используемые, в том числе, для аттестации имеющихся ракетных двигателей.

6. Результаты работы используются в учебном процессе в ФГБОУ ВО «Нижегородский Государственный Технический Университет им. Р.Е. Алексеева» и в ФГБОУ ВО «Саровский Физико-Техническом Институт - филиал НИЯУ «МИФИ».

Теоретическая значимость

Предложены формулы оценки интегральной массы выпавших на преграде частиц на момент начала установившегося эрозионного разрушения в зависимости от скорости и температуры.

Доказано отсутствие кавернообразования и наличие эффекта отбрасывания налетающих частиц головным скачком со сверхзвуковой скоростью в область невозмущенного газа при прохождении пылевой среды цилиндрическим телом с коническим наконечником со скоростью 800-1000 м/с.

Определены изменения в коэффициентах тангенциальной силы и центра давления осесимметричных конических моделей в диапазонах М=2...3М при изменении шероховатости и изменения геометрии обводов носовой части.

Методология и методы исследования. В проведенных исследованиях применялись теоретический и расчётно-аналитический методы. Использовались методики проведения аэробаллистического эксперимента, основанные на отстреле исследуемых объектов в газовую среду; методики фотоэлектронных пирометрических измерений; методы теневого фотографирования; методика ЭГИДА для численного моделирования. Методологической базой диссертационной работы являются работы С.И. Герасимова, Э.В. Василевского, В.И. Ерофеева, Ю.В. Полежаева, А.Г.Иоилева, В.Н. Шебеко, А.Л. Стасенко, А.П. Фомкина, Н.В. Лапичева, Н.Н. Мягкова и др.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований и рекомендации по моделированию эрозионного разрушения.

2. Результаты опытов по отработке системы испытаний и схемы оптической

регистрации теневого изображения течения около тела, пересекающего зону запыленного воздуха и дождя

3. Расчетно-экспериментальные результаты оценки изменения динамического отклика летательного аппарата в условиях изменения шероховатости боковой поверхности и обводов наконечника за счет термомеханического разрушения

Личное участие автора состоит в предложении нового разгонного устройства для экспериментального моделирования эрозионного уноса при одиночном и групповом воздействии частиц; отработке схемы испытаний и схемы оптической регистрации теневого изображения течения около тела, пересекающего зону запыленного воздуха и дождя; численном моделировании в пакете ЭГИДА, LS-DYNA; обработке и оценке визуальной информации, полученной теневым методом; получении научных результатов, отраженных в опубликованных работах.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались: на конференциях РАН, РАРАН «Современные методы проектирования и отработки ракетно-артиллерийского вооружения», «Передача, обработка и отображение информации при быстропротекающих процессах», «Математическое моделирование физических процессов».

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 работ, из которых 13 - статьи из перечня журналов, рекомендуемых ВАК РФ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы. Работа изложена на 149 страницах машинописного текста, содержит 12 таблиц, 71 рисунка и список литературы, включающий 112 наименований

1 Аналитический обзор состояния проблемы эрозионного разрушения

1.1 Состояние проблемы

Под общим термином «эрозия» широко понимается унос массы любого вещества в любых количествах (от отдельных частиц до слоев). Эрозия в динамике машин вызывается ударным взаимодействием двухфазной среды, представляющей, главным образом, газовый поток с твердыми или жидкими включениями. Это взаимодействие способно существенно изменить характеристики движения летательного аппарата по сравнению с его аналогичным движением по скорости в однофазной среде за счет изменений в спектре обтекания, когда траектория движения частиц не совпадает с линиями тока несущего газа, а также отличий в динамике процессов, происходящих на поверхности тела. В известных ранних монографиях зарубежных ученых по эрозии (А. Эванс, А. Рафф, У. Эдлер, С. Видерхорн, Дж. Брантон, М. Ричестер, Б. Вайс, К. Мерч, Д. Саммерс, К. Прис) [1-9] были широко представлены материалы по механике разрушения при ударе твердых частиц, эрозии при ударе твердых частиц, механики ударного взаимодействия жидкости, эрозии поверхности твердого тела при ударе жидких капель, кавитационной эрозии, динамике кавитационных пузырьков и кавитирующих жидкостей, эрозионной коррозии, применения эрозии в промышленности. Труды отечественных ученых (Стернин Л.Е., Нигматулин Р.И., Салтанов Г.А., Яненко Н.Н, Солоухин Р.И., Папырин А.Н., Фомин В.М., Дейч М.Е., Филиппов Г.А., Гилинский М.М., Стасенко А.Л., Васенин И.М., Архипов В.А., Бутов В.Г., Глазунов А.А., Трофимов В.Ф. и др.) в механике многофазных сред [10-19] также внесли весомый вклад в развитии энергетики, машиностроения, течения в соплах, где имеет место эрозионное разрушение конструкционных материалов. Существенный вклад в теорию разрушения и износа материалов при взаимодействии с твердыми и жидкими частицами внесли Алексеев В.К., Богачев И.Н., Гонор А.Л., Липатов А.С., Ишлинский А.Ю., Козырев С.И., Перельман Р.Г., Полежаев Ю.Е., Шебеко В.Н. и

др. [20-28].

Из работ, проводимых с учётом особенностей аэродинамического эксперимента, что связано с интересами автора, отметим ряд публикаций [29-78], включающих физику полета в различных условиях и вопросы авиационной экологии. Приведем современные результаты в направлении физических аспектов многофазных течений в аэродинамике и летательной технике, имеющих непосредственное отношение к теме настоящей диссертационной работы.

1.1.1 Частица в газовом потоке

Поведение частиц, в частности, жидких капель в потоке воздуха остается предметом изучения современных исследователей [40]. Оказывается, например, что частицы воды (г = 5-10 мкм) остаются в жидком метастабильном состоянии при охлаждении ниже точки замерзания в сверхзвуковом потоке воздуха. За скачком уплотнения частицы проходили значительное расстояние (~ 1 см), прежде чем возникала достаточная для их распада деформация. Деформация частиц завершалась их распадом на большое количество (102—103) мелких частиц, которые двигались далее, как недеформируемые сферы.

Строгое теоретическое описание течения газодисперсного потока требует учета обмена импульсом, энергией и массой между отдельной частицей и несущим потоком, что является проблематичным из-за необходимости подключения сложных моделей физической кинетики и термодинамики. Отсюда при изучении динамики отдельной частицы на протяжении сотни лет используются полуэмпирические модели. Начиная с Милликена, изучавшего электрические заряды капель, движущихся в воздухе [29], используются поправочные коэффициенты. Например, силу сопротивления движению в разреженном газе удобно учитывать в зависимости от широко применяемого числа Кнудсена Кп (1/2г), использующего длину свободного пробега молекул I и диаметр капли 2г. Другим важнейшим критерием динамического подобия в динамике летательной техники и при постановке аэродинамических испытаний выступают числа Маха (М) и Рейнольдса ^е), которые широко используются при описании экспериментальных данных для шара. Для силы сопротивления

шаровой частицы применяются и кусочно-непрерывных зависимости [30]. Скорости тепло- и массообмена частиц могут быть описаны универсальным алгоритмом, применимым как для потоков массы, так и, соответственно, для потоков энергии, импульса и момента [31]. Эти выражения учитывают в том числе и объёмную неизотермичность частицы [32] и опытные результаты [33] о взаимовлиянии поступательного и вращательного движений частицы. Объяснение собственного теплового излучения частицы [34] с учётом обрезания спектра со стороны длин волн, сравнимых с её размером приведено в работе [35].

В [36-37] приведена система уравнений, описывающая динамику и тепломассобмен вращающейся капли, а также получено численное решение изменения её температуры, линейной и угловой скоростей вдоль оси сопла. С учётом эффектов Соре и Дюфура, а также зависимости коэффициентов переноса от температуры и концентраций компонентов в работах [38-39] аналитически и численно проанализирована зависимость скорости массообмена капли от разницы температур.

1.1.2 Соударение частицы с твёрдым телом

Важную роль в формировании структуры сжатого слоя играет физика взаимодействия падающих на поверхность тела (микро)частиц, в частности учет компонент скорости их отскока. Отсюда необходимость располагать адекватной моделью столкновения микрочастицы с поверхностью. Большое количество геометрических, динамических, физических условий, может легко привести к получению разных результатов при разных комбинациях и диапазонах изменениях соответствующих параметров. Заметим, что скорость и траектории крупных частиц отличаются от соответствующих параметров частиц меньших размеров. Вследствие этого частицы разного сорта могут соударяться между собою, особенно в областях увеличения концентрации частиц. При этом могут изменяться направления их движения, величины поступательной и вращательной скоростей. Если ввести коэффициенты восстановления нормальной и тангенциальной компонент импульса частицы соударения с телом и после

отражения от тела, то оказывается, что в ряде работ эти коэффициенты полагаются равными нулю (прилипание или исчезновение частиц на поверхности) либо единице (зеркальное отражение), либо, например, произвольному 0,5 [40]. Для получения «универсальной» зависимости этих коэффициентов от физико-механических свойств налетающей частицы и мишени, Стасенко А.Л. была предложена модель [40, 41] основанная на двух предельных значениях скоростей V® и V*, которые, соответственно, отвечают за адгезию и начало эрозии. Выбор предельных значений для адгезии базировался на результатах работ [42-43], для эрозии - на работах [44-45]. Таким образом, частицы либо прилипают к поверхности, находясь вне этого интервала V < V]а\ либо имеет место необратимая деформация частиц и бомбардируемого слоя поверхности (VI > V*). Внутри этого интервала (V]а < VI < V*) реализуется отскок частиц, определяющий газотермодинамику двухфазного потока. Поскольку параметры ап и ат могут быть выражены через коэффициент трения [46], Стасенко А.Л. была предложена в [47] формула, выражающая коэффициент трения через модули Юнга, сдвига и пределов текучести трущихся друг о друга тел. Соударение частицы с дискретным (струнным и сеточным) экраном, служащим защитой конструкции летательного аппарата при космических скоростях [48-50] показало, что главной особенностью разрушения частицы - ударника является формирование струй фрагментов, движущихся как в направлении движения ударника, так и в поперечных направлениях. Для легкого металлического осколка струя представляет собой цепочку отдельных фрагментов. Численные расчеты показали, что скорость вещества вдоль струй неоднородна и максимальна в головной части струи. При этом она может значительно превышать скорость соударения осколка с экраном. Возникающий кумулятивный эффект характеризуется 150%-ым увеличением скорости головной части струи по сравнению с начальной скоростью соударения при прицеливании осколка в центр ячейки сетки.

1.1.3 Оптические эффекты в газодисперсном потоке

Рисунок 1.1 - Оптическое излучение при обтекании модели 4-х сфер аэродисперсным потоком. Среда - воздух. Материал частиц - железо. 2а=2,4 мкм; Р0=17 бар, влажность п = 3%. [34,51].

На рисунке 1.1 приведен характерный результат опыта в ударной аэродинамической трубе (ЦАГИ), проведенного в полной темноте и в котором наблюдалось заметное свечение вблизи лобовой поверхности моделей. Дополнительными исследованиями зафиксировано отсутствие влияния на интенсивность свечения потока у поверхности при введения в рабочую часть луча лазера. Яркость свечения ослабевала с уменьшением плотности, размера и концентрации частиц. Оптические эффекты имели место при замене газа, когда вместо воздуха использовались N2 и СО2. В чистом потоке, т.е. при полном отсутствии частиц, свечение не регистрируется.

Свечение (но гораздо меньшей интенсивности) регистрируется и в других областях установки: у стенок сопла, особенно в области отрыва потока от его кромки, а также у поверхности в рабочей части трубы.

1.1.4 Электрические эффекты

В спектре самосвечения (рисунок 1.1) заметную долю составляет голубой свет, что косвенно может свидетельствовать о наличии электрических разрядов между поверхностью и аэродисперсным слоем [34,51]. Для исследования явления электризации были разработаны специальные модели, содержащие медные

датчики диаметром 5 мм и длиной 12 мм устанавливаемые заподлицо с внешней поверхностью модели. Потенциал на внешней поверхности датчика модели при высоком сопротивлении между датчиком и «землей» (560 МОм) достигал значительной величины, приблизительно соответствующей напряжению пробоя: 5 кВ и более, что, в свою очередь, свидетельствовало о том, что пульсации концентрации пыли у поверхности модели по времени оказывались существенными. Плотность тока генерируемая аэродисперсной средой в критической точке сферы, оказалась меньше чем на удалении от нее вдоль образующей.. Возможно, происходит вследствие большей концентрацией частиц на некотором удалении от критической точки из-за массы частиц, сносимых потоком с лобовой поверхности. При дальнейшем удалении имеет место отрыв слоя аэрозоля от поверхности, что приводит к соответствующему падению концентрации частиц. Плотность тока, индуцируемая аэродисперсной средой, при малых включениях частиц в невозмущенном потоке приблизительно пропорциональна весовой концентрации частиц. В «чистом» потоке газа явление электризации модели в опыте не зафиксировано.

1.1.5 Установки для моделирования высокоскоростного движения в двухфазной среде

Ускорение частиц до высоких скоростей сопровождается уменьшением плотности несущего газа и его резким охлаждением. В [52] приведена математическая модель двухфазного потока, учитывающая зависимость теплофизических свойств материала диспергированной фазы (с использованием теории Дебая), а также возможность обтекания частиц (в различных режимах от континуального до свободномолекулярного) при произвольных значениях числа Кнудсена. Там же даны результаты численного расчета для применения стандартной аэрогазодинамической установки и разгоняемых в ней диэлектрических частиц.

Особой эрозионной средой, представляющей интерес, является снег из-за существования снежных кристаллов в очень высоких облаках и, как следствие,

относительно высокой вероятности встречи с этими кристаллами во время возвращения в облачную погоду. Чтобы получить значимые данные в реалистичных условиях испытаний, необходимо генерировать кристаллы снега, имеющие структуру, аналогичную тем, которые встречаются в атмосфере. Механизм образования природных кристаллов льда заключается в диффузии водяного пара к растущим поверхностям кристаллов. То есть твердый кристалл образуется непосредственно из молекул воды без объемной жидкой фазы (хотя на поверхности кристалла может быть тонкий жидкий слой). Кристаллы льда вырастают из ядер в пересыщенной льдом атмосфере и могут существовать как отдельные единицы простой геометрической формы, так и при соответствующих условиях могут вырасти в сложные разветвленные формы. Некоторые из этих снежных кристаллов могут собираться вместе, образуя снежинку. Для получения снежинок, имеющих соответствующую насыпную плотность и кристаллический тип, был разработан метод выращивания кристаллов на твердых поверхностях, в котором процесс образования такой же, как и для природного снега, а именно диффузия водяного пара к растущей поверхности. Этот метод основан на том, что и снежные, и морозные кристаллы имеют один и тот же механизм образования и имеют сходные кристаллические характеристики для одних и тех же термодинамических условий. Основное различие между снежным кристаллом и морозным заключается в том, что кристалл снега растет из ядра в свободной атмосфере, тогда как кристалл мороза растет из твердой поверхности. Наиболее очевидный визуальный эффект этого различия в ядрах наблюдается в дендритных формах, где снег растет в виде симметричных шестиразветвленных кристаллов, а морозный кристалл - в виде одноразветвленных кристаллов. Однако "естественная снежинка" состоит из числа этих отдельных кристаллов, которые сгруппированы вместе в некоторой случайной ориентации. Точно так же образующиеся снежинки, образующиеся при вытеснении кристаллов инея с их растущей поверхности, представляют собой скопления случайно ориентированных одноразветвленных кристаллов. Эти хлопья похожи по структуре и размеру на те, что встречаются в атмосфере. Исходя из этих

соображений, в США была разработана установка, называемая "генератор снежного поля" (рисунок 1.2), включающая медную пластину с прикрепленной к ней медной трубкой, по которой течет охлаждающая жидкость. Температура пластины измеряется термопарой, прикрепленной к пластине и регулируемой регулятором температуры, который управляет клапаном регулирования расхода в контуре охлаждающей жидкости.

Рисунок 1.2 - Установка для генерирования снежного поля в AEDC Range G (США) [53].

Пластины вертикальные, но ориентированы в горизонтальной плоскости под углом 45° к продольной оси диапазона для размещения боковых камер, которые фотографируют падающий снег. Снежинки вытесняются из медной пластины механическим ударным устройством (электромагнитным плунжером) в нужное время и создают свободно падающее эрозионное поле, которое может варьироваться по длине и концентрации поля.

Техника, используемая для создания снежного поля во время выстрела, заключается в следующем:

1) Жидкий азот циркулирует по трубкам генератора для поддержания температуры замерзания, обычно от - 50 до - 90° F.

2) Кристаллы растут на пластинках под действием диффузии водяного пара к растущим поверхностям.

3) "Нагруженные" пластины подвергаются удару в заданное время в синхронизации с запуском.

4) Кристаллы отламываются, образуя кластеры, структурно похожие на природные снежинки. Полученное снежное поле проникает в модель. Масса снега, попавшего на кончик носа, оценивается по обычным фотографиям снежного поля с передним освещением, сделанным за несколько миллисекунд до проникновения модели. Пластины генераторов снежного поля установлены под углом 45° к осевой линии, чтобы каждая камера могла видеть падающий снег перпендикулярно плоскости пластины (рисунок 2.1). Камеры используют 1-мкс затворы, а снежные поля освещаются стробоскопами длительностью 1 мкс. Масса материала, снятого с кончика носа, оценивается по лазерным фотографиям модели полета с передним освещением. Короткая временная длительность лазера, примерно 20 нс, эффективно "останавливает" движение модели со скоростью до 20 000 кадров в секунду, а высокая интенсивность света, примерно 75 МВт пиковой мощности, обеспечивает адекватную экспозицию пленки. Кроме того, монохроматичность лазерного излучения позволяет фильтровать нежелательный свет, так что точные измерения могут быть сделаны с помощью лазерной фотографии даже в условиях аэрации, самосветимости и высоких градиентов плотности. С помощью этой системы контур поверхности эродированного кончика носа обычно может быть измерен до ± 1,5 мм.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Косяк Евгений Григорьевич, 2021 год

Список литературы

1. Эрозия под редакцией Прис К. , пер. с английского под ред. Ю.В. Полежаева, Москва, «Мир», 1982

2. Эванс А., Хьюр А., Портер Д. Трещиностойкость керамики. - в сб. Механика разрушения. Разрушение материалов. - Механика, 1979

3. Янг Д., Рафф А. Определение эрозии металлов при ударном воздействии частиц. - Теоретические основы инженерных расчетов, 1977

4. Adler W.F. Analytical Modeling of Liquid and Solid Particle Emission. Air Force Materials Laboratory. AFML-TR-73-174, 1973

5. Спринжер Дж. Эрозия при воздействии капель жижкости.- М. Машиностроение, 1981

6. Preece C. M. Rain Erosion. Royal Aircraft Establishment, Farnborough, UK, 1974

7. Merch K.A. Acoustic Cavitation. Institute of Acoustics, London, UK 1978

8. Summers D.A. Underground Mining Environment. Rolla, Missouri, USA,

1971

9. Brierley W.N. High Pressure Water Jet Cutting Technology, Rolla, Missouri, USA, 1975

10. Стернин Л.Е. Основы газодинамики двухфазных течений в соплах. — М.: Машиностроение, 1974.

11. Нигматулин Р.И. Основы механики гетерогенных сред. — М.: Наука,

1978.

12. Салтанов Г.А. Неравновесные и нестационарные процессы в газодинамике однофазных и неоднофазных сред. — М.: Наука, 1979.

13. Яненко Н.Н, Солоухин Р.И., Папырин А.Н., Фомин В.М. Сверхзвуковые двухфазные течения в условиях скоростной неравновесности частиц. — Новосибирск: Наука, 1980.

14. Дейч М.Е., Филиппов Г.А. Газодинамика двухфазных сред. — М.: Энергоиздат, 1981.

15. Сенковенко С.А., Стасенко А.Л. Релаксационные процессы в сверхзвуковых струях газа. — М.: Энергоатомиздат, 1985.

16. Васенин И.М., Архипов В.А., Бутов В.Г., Глазунов А.А., Трофимов В.Ф. Газовая динамика двухфазных течений в соплах. — Томск: Изд-во ТГУ, 1986.

17. Гилинский М.М., Стасенко А.Л. Сверхзвуковые газодисперсные струи. — М.: Машиностроение, 1990.

18. Стернин Л.Е., Шрайбер А.А. Многофазные течения газа с частицами. — М.: Машиностроение, 1994.

19. Стасенко А.Л. К динамике двухфазной смеси совершенного газа с макроскопическими частицами // Труды ЦАГИ. — Вып. 1453. — 1973. — С. 3-30.

20. Алексеев В.К., Перельман Р.Г. Об использовании струй жидкости для изучения гидроударной эрозии. - Изв. вузов. Энергетика, 1977, №8, с.77

21. Богачев И.Н. Кавитационное разрушение и кавитационностойкие споавы.- М.: Металлургия, 1972

22. Волынский М.С., Липатов А.С. Деформация и дробление капель в потоке газа.- ИФЖ, 1970, №5, с.838

23. Гонор А.Л., Яковлев В.А. Динамика удара капли по твердой поверхности.- МЖГ, 1978, №1, с.36

24. Ишлинский А.Ю. итоги и перспективы развития науки о трении и износа.- В сб.: теория трения, износа и проблемы стардантизации, Брянск, Институт проблем механики АН СССР, 1978

25. Козырев С.И. Гидроабразивный износ металлов при кавитации.-М.:Машиностроение, 1980

26. Перельман Р.Г. Эрозионная прочность деталей двигателей и

энергоустановок летательных аппаратов.-М.: Машиностроение, 1980

27. Полежаев Ю.В. Процесс установления эрозионного разрушения материалов преграды при многократном соударении с частицами.- ИФЖ, 1079, т.37, №3, с.389

28. Полежаев Ю.В., Романченков В.П., Чирков И.В., Шебеко В.Н. Расчетная модель процесса эрозионного разрушения композиционного материала.-ИФЖ, 1079, т.37, №3, с.395

29. Millican R.F. The general law of fall of a small spherical body through a gas, and its bearing upon the nature of molecular reflection from surfaces // Phys. Rev. — 1923. — V. 22. — P. 69-90.

30. Henderson C.B. Drag coefficient of particles in continuum and rarefied flows // AAIA J. — 1976. — V. 14, N 6 — P. 707-708.

31. Гринац Э.С., Стасенко А.Л. Интерполяционная модель динамики и теплообмена шаровой частицы в несущем газе при произвольных значениях числа Кнудсена // Труды ЦАГИ. — Вып. 2676. — 2008.

32. Огородников В.А., Пушков В.А., О.А. Тюпанова Основы физики прочности и механики разрушения Саров, 2009, 386с.

33. Лукерченко Н.Н., Харламов А.А., Квурт Ю.П. Экспериментальная оценка силы сопротивления, силы Магнуса и момента сопротивления, действующих на сферическую частицу // Материалы VI Междунар. конф. по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ-2006). — М.: Вузовская книга. — 2006. — C. 368.

34. Василевский Э.Б., Мошаров В.Э. , Яковлева Л.В. Экспериментальное исследование течения, теплообмена и электрооптических явлений при обтекании тел сверхзвуковымаэродисперсным потоком. ЦАГИ- основные этапы научной деятельности 1993-2003. Москва, ФИЗМАТЛИТ, 2003, С.452-459.

35. Моллесон Г.В., Стасенко А.Л. Обтекание твердого тела горячей сверхзвуковой газодисперсной струёй с учетом вращения отраженных частиц // Учёные записки ЦАГИ. — 2011. — Т. XLII, № 2. — С. 53-67.

36. Журков С.Н. Вести АН СССР, 1968, №3, с.46.

37. Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский Э.Е. Кинетическая природа прочности твердых тел. М.: Наука, 1974

38. Guryashkin L.P., Komissarova A.F., Stasenko A.L. Visualisation and dynamics investigation of free falling liqid nitrogen droplets // Digest: 18th Intern. Congress on High Speed Photography and Photonics. Xian.China. — 1988 — Ed. Xian Inst. Of Optics and Precision Mechanics. — 1988. — T. 09-14. — P. 234.

39. Harris F.S. AIAA Paper p. 75, 1975

40. Стасенко А.Л. Физические аспекты многофазных течений в аэродинамике, летательной технике и авиационной экологии // Труды МФТИ -2011.- Том3, №4.- с. 108-126

41. Стасенко А.Л. Коэффициенты восстановления скорости частицы при отражении от поверхности твердого тела // Инж.-физический ж. — 2007. — Т. 80, № 5. — С. 38-44.

42. Кангур Х.Ф., Клейс И.Р. Экспериментальное и расчетное определение коэффициента восстановления при ударе // Изв. АН СССР. МТТ. — 1988. — № 5.

— С. 182-185.

43. Лашков В.А. Об экспериментальном определении коэффициентов восстановления скорости частиц потока газовзвеси при ударе о поверхность // Инж.-физический ж. — 1991. — Т. 60, № 2. — С. 197-203.

44. Brach R.M., Dunn P.F., Li X. Experiments and engineering models of microparticle impact and deposition // J. Adhesion. — 2000. — V. 74. — P. 227-282.

45. Sommerfeld M., John W., Wang H., Goren S.L. Measurements of kinetic energy loss for particles impacting surfaces // Aerosol Sci. Technol. — 1990. — V. 12.

— P. 926-946.

46. Вараксин А.Л. Столкновения в потоках газа с твердыми частицами. — М.: Физматлит, 2008.

47. Стасенко А.Л. Упругость, текучесть, трение // Квант. — 2009. — № 3.

— С. 48-50.

48. Т.А. Шумихин, Л.Н. Безруков, Н.Н. Мягков, Модельный эксперимент, проясняющий механизм фрагментации высокоскоростного ударника на дискретных экранах, Механика композиционных материалов и конструкций, 13 (2007) 341-355

49. 2. N.N. Myagkov, T.A. Shumikhin, L.N. Bezrukov. Experimental and numerical study of peculiarities of high-velocity interaction between a projectile and discrete bumpers. Int. J. Impact Engng., 37 (2010) 980-994.

50. П.Н. Калмыков, С.В. Колчев, Н.В. Лапичев, И.А. Михайлов, Н.Н. Мягков, В.Н. Номаконова, А.В. Сальников, Т.А. Шумихин. Экспериментальные исследования фрагментации сферических алюминиевых ударников на стальных сеточных экранах при скоростях 5...7 км/с.. Мех. комп. матер. и констр, 2015 г., том 21, № 1.

51. Василевский Э.Б., Осипцов А.Н., Чирихин А.В., Яковлева Л.В. Теплообмен на лобовой поверхности затупленного тела в высокоскоростном потоке, содержащем мелкодисперсные частицы // Инж. Физический ж. — 2001. — Т. 74. № 6. — С. 34-42.

52. Моллесон Г.В., Стасенко А.Л. Ускорение микрочастиц в газодинамической установке с большим расширением потока // Теплофиз. Высоких температур. — 2008. — Т. 46, № 1. — С. 110-118.

53. Е. Eugene Callens Jr., James R. Blanks, and Dwayne В. Carvert Development of а Snow Erosion Test Capability for the Hyperballistic Range ARO, Arnold Air Force Station, Тепп. J. SP ACECRAFT V0L.14,N0.3,MARCH 1977-p.183-188

54. Золотарев С.Л., Карпов ВА., Мурзинов И.Н., Плевако Н.Б. Исследование влияния условий обтекания образцов высокоэнтальпийным газовым потоком на изменение их формы. Космонавтика и ракетостроение, 2001, вып. 23

55. Kodak KAT-1100 CM, Image Sensor. Device Performance Specification. June 22003.

56. Безменов В. Я.. Колочинский Ю. Ю. Конструкция и характеристики гиперзвуковой ударной трубы УТ-1 ЦАГИ. Тр. ЦАГИ. № 3152. 1969

57. Цетлин И.В., Профе В.Б., Шрамко С.А., Сиренко А.В., Макейкин Е.Н. Влияние аэротермомеханических нагрузок на материалы радиопрозрачных теплозащитных вставок и характеристики антенн летательных аппаратов. Труды РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2018, часть2, сс.250-261

58. Михатулин Д. С., Полежаев Ю. В., Репин И. В. Гетерогенные потоки: газодинамика, теплообмен, эрозия.1997. (Препринт/ИВТАН; № 2-402).

59. Coy С. Гидродинамика многофазных систем. М.: Мир, 1971

60. Алхимов А. П., Папырин А. Н. и др. Теоретическое и экспериментальное исследование движения смеси газа с твердыми частицами в сопле Лаваля.— Числ. методы механики сил. среды, 1978, т. 9, № 2.

61. А. П. Алхимов, Н. И. Нестерович, А. Н. Папырин Экспериментальное исследование обтекания тел сверхзвуковым двухфазным потоком ПМТФ 1982 №2, с.66-74.

62. Благосклонов В. И., Кузнецов В. М. и др. О взаимодействии гиперзвуковых неоднофазных течений.— ПМТФ, 1979, № 5.

63. Яненко H. H., Солоухин P. И., Папырин А. П., Фомин В. M. Сверхзвуковые двухфазные течения в условиях скоростной неравновесности частиц. Новосибирск: Наука, 1980

64. Laderman A. J., Lewis С. H., Byron S. R. Two-phase plume impingement effects.— AIAA J., 1970, vol. 8, N 10

65. А. П. Трунев, В. М. Фомин Эрозия тупого тела в запыленном гиперзвуковом потоке ПМТФ 1980 №2 сс101-107

66. 9. Reinecke W. G. Debris shielding during high-speed erosion.— AIAA J., 1974, vol. 12, N 11

67. Shih W. C. L. Ballistic Range Measurements of Aerodynamic Heating in Erosion Environments. AIAA Pap. No.76-319. 1976.

68. Тадольдер Ю. А. Некоторые количественные закономерности

изнашивания технически чистых металлов. Труды Таллинского политехнического ин-та, сер. А, № 237, 1966.

69. Полежаев Ю. В., Юревич Ф. Б. Тепловая защита. М., «Энергия», 1976.

70. Базилевский А. Т., Иванов Б. А. Обзор достижений механики кратерообразования. В сб.: Механика. Новое в зарубежной науке, под ред. А. Ю. Ишлинского, Г. Г. Черного, вып. 12. М., «Мир», 1977.

71. Журков С.Н. , Бурков C.H., Орлов А.А., Регель B.P. Прочность, ФЭС, т.4, 1965 с. 235

72. Барамбойм Н.К. Механохимия высокомолекулярных соединений, М., Химия, 1978.

73. Ратнер С.Б., Лурье Е.Г. Термоактивационные представления о разрушении пластмасс при износе. "Механика полимеров" изд-во "Знание", Рига, 1966, № 6

74. Гуль В.Е. Структура и прочность полимеров, Химия, М., 1978

75. Гольдсмит В. Удар и контактные явления при средних скоростях, в кн. "Физика быстропротекающих процессов» под. ред. Н.А.Златина, т. 2. Мир., М., 1971, с. 153-203

76. Авиационные материала, справочник, т. 5 Магниевые и титановые сплавы М., ОНТИ, 1973

77. Справочник по авиационным материалам, коррозионностойкие и жаропрочные стали и сплавы, изд. Машиностроение, М., 1965, с. 351-359

78. Уэйкмен Т., Табаков В. Экспериментальное исследование эрозии в реактивном двигателе, Ракетная техника и космонавтика, № 5, i960, с. 183-189.

79. Цикулин М.А., Попов Е.Г., Излучательные свойства ударных волн в газах, М.: Наука, 1977, 174с.

80. Оценка чувствительности трубчатого пьезопреобразователя упругих волн аксиального сдвига из решения дифракционной задачи. Косяк Е.Г., Шевяхов

Н.С. Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2012. Т. 15. № 2. С. 72-76.

81. Рассеяние цилиндрической аксиально-сдвиговой волны круговой полостью кристалла с пьезоэффектом.// Косяк Е.Г., Шевяхов Н.С. Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2012. Т. 15. № 3. С. 59-66.

82. Импульсное нагружение протяженной конструкции с помощью энергетических материалов. .// Косяк Е.Г., Герасимов С.И., Ерофеев В.И., Кузьмин В.А., Кузнецов П.Г., Телякова Н.Л. Глобальная ядерная безопасность. 2015. № 1 (14). С. 38-50.

83. Возможность использования баллистических метательных установок в задаче исследования свойств ударно сжатых веществ // Е.Г. Косяк, С. И. Герасимов, В.И. Ерофеев, В.А. Кикеев, К.В. Тотышев, , П.Г.Кузнецов, Р.В.

Герасимова, Глобальная ядерная безопасность 2(39), 2021,с.15-19.

84. Демонстрация перехода к детерминированному хаосу в классической модели "Гравитационная машина". Шевяхов Н.С., Косяк Е.Г., Немцева А.В. В сборнике: Математика и математическое моделирование, сборник материалов XI Всероссийской молодежной научно-инновационной школы. Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ, Саровский физико-технический институт. 2017. С. 187-188.

85. Рассеяние импульсов сдвиговых волн полостью пьезоэлектрического кристалла. Косяк Е.Г., Селезнев А.А., Шевяхов Н.С. В книге: Актуальные проблемы физической и функциональной электроники материалы 17-й Всероссийской молодежной научной школы-семинара. 2014. С. 163-164.

86. Жариков И.Ф., Немчинов И.В., Цикулин М.А., ПМТФ, 1967, N1, 31.

87. Войтенко А.Е., Маточкин Е.П., Федулов А.Ф., ПТЭ, 1970, N2, 201.

88. Станюкович К.П., Неустановившиеся движения сплошной среды, М.: ГИТТЛ, 1955г., 804с.

89. Зельдович Я.Б., Станюкович К.П., ДАН, 1947, 55, N7

90. Boichenko A.M., Karelin A.V., Yakovlenko S.I., Las. Phys., 9, 1190 (1999).

91. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных явлений в газах. М.: Физматлит, 1976

92. Войтенко А.Е. Взрывной генератор мощного светового импульса//Доклады АН СССР, 1964, 158, с.1278

93. Войтенко А.Е. Взрывной газодинамический компрессор/// ПМТФ, 1966, №4, с. 112

94. Hallquist J.O. LS-DYNA: Theoretical manual. Livermore Software Technology Corporation, Livermore, 1998. - 498 p

95. Муйземнек А.Ю. Математическое моделирование процессов удара и взрыва в программе LS-DYNA/ А.Ю. Муйземнек, А.А. Богач. Пенза: Информационно-издательский центр ПГУ, 2005

96. Souli M. "LS-Dyna Advanced Course in ALE and Fluid/Structural Coupling". Course Note for Arbitrary Lagrangian-Eulerian Formulation Technique / M. Souli. Livermore, LSTC, CA, 2000.

97. Lee E, Finger M., Collins W. JWL equation of state coefficients for high explosives. Rept-UCID-16189, Lawrence Livermore National Laboratory, 1973

98. ГОСТ 17622-72. Стекло органическое техническое. Технические условия

99. Ansys, customer number 602402.

100. Е.Г. Косяк С.И. Герасимов, В.И. Ерофеев Постановка опытов для анализа возмущений головной ударной волны за счет присутствия частиц в сверхзвуковом потоке Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана сер. естественные науки, 2021, №1, c.34-46.

101. Е.Г. Косяк, П.Г. Кузнецов, В.А. Кикеев В.В. Писецкий В.И. Ерофеев Применение индукционных датчиков в исследованиях быстропротекающих процессов .// Косяк Е.Г Журнал технической физики, 2020, том 90, вып. 8, с. 13741377

102. Е.Г. Косяк, В.А. Кузьмин, В.А. Кикеев, С.И. Герасимов, В.И. Ерофеев, В.П. Гандурин, Н.А. Трепалов, П.Г. Кузнецов //Моделирование и визуализация взрыва в песчаном грунте. Расчет и эксперимент, Научная визуализация, 2020, том 12, номер 3, с. 79 - 88.

103. Е.Г. Косяк, П.Г. Кузнецов, В.А. Кикеев, В.А. Кузьмин, А.Н. Жаров, И.А. Новиков //Моделирование соударения алюминиевого ударника со сплошным и сетчатыми экранами с гиперзвуковыми скоростями// Сборник материалов 14 Всероссийской молодежной научно-инновационной школы «Математика и математическое моделирование» 7-9 апреля, 2020, Саров, с. 121122

104. Е.Г. Косяк, С. И. Герасимов, В.И. Ерофеев, В.А. И.Ю. Смирнов Движение затупленного цилиндра со стабилизаторами по результатам аэробаллистического эксперимента// Ученые записки ЦАГИ, Т. 51. № 4. С. 36-42 (ВАК, журнал по специальности 01.02.06)

105. Е.Г. Косяк, С. И. Герасимов, В.И. Ерофеев, В.А. Кикеев, К.В. Тотышев, П.Г.Кузнецов, Р.В. Герасимова О развитии техники аэробаллистического эксперимента для визуализации течений// Научная визуализация, 2021. Т. 13. № 1. С. 69-82 (Scopus).

106. Е.Г. Косяк, В.И. Ерофеев, В.А. Кикеев, В.А. Кузьмин, К.В. Тотышев, П.Г. Кузнецов, Р.В. Герасимова Газоразрядный излучатель с ограничением распространения разряда для регистрации быстропротекающих процессов и инициирования светочувствительных энергонасыщенных материалов //Приборы и Техника Эксперимента, 2020, №5, с.92-95.

107. Е.Г. Косяк, В.И. Ерофеев, М.И. Крутик, К.В. Тотышев, П.Г. Кузнецов, Р.В. Герасимова Аппаратный комплекс, реализующий схему одновременного получения изображения быстропротекающего процесса в отраженном и проходящем свете .// Приборы и Техника Эксперимента, 2020, №5, с.88-91.

108. Probstein R. F., Fassio F. Dusty hypersonic flows.— AIAA J. 1970. Vol. 8. No 4

109. Глушко В. П. . Развитие ракетостроения и космонавтики в СССР. 3-е изд. — М.: Машиностроение, 1987. — 304 с

110. Е.Г. Косяк, С.И. Герасимов, А.В. Зубанков, А.П. Калмыков, С.А. Капинос, П.Г. Кузнецов Экспериментальное исследование движения ударника в соленом льду. ПМТФ 2020 Т. 61. № 4 (362). С. 54-58.

111. Григорьев А.Н. Исследование электрического взрыва проводников как источника импульсного давления. Автореферат диссертации. Томск, 2011

112. Е.Г. Косяк, .И. Герасимов, В.И. Ерофеев, В.И. Костин, П.Г. Кузнецов, Р.В. Герасимова Определение пространственного положения модели при интенсивных фоновых засветках// Глобальная ядерная безопасность Номер 3(40), 2021.