Диссертации и авторефераты Украины
Перейти на каталог
Каталог авторефератов

Я ищу:
Диссертация / Автореферат

По вопросу доставки диссертации по этой теме пишите на электронный адрес: info@disser.com.ua
Тема автореферата диссертации: Розробка методик розрахунку плоских примежевих шарів на основі удосконаленої однопараметричної моделі 2004 года.
Источник: Автореф. дис... канд. техн. наук: 05.07.01 / Л.А. Романюк; Нац. авіац. ун-т. — К., 2004. — 21 с. — укp.
Аннотация: Створено методику розрахунку турбулентних плоских примежевих шарів на основі єдиної удосконаленої однопараметричної моделі коефіцієнта турбулентності в'язкості. Запропоновано наближено-аналітичні розв'язки для кінетичної енергії турбулентності, використані для задання початкових умов. Проведено числове моделювання турбулентних пристінних течій. Виконано порівняння розрахунків параметрів з канонічними експериментами Стенфордської конференції. Уточнено модельні коефіцієнти для рівноважних і нерівноважних турбулентних плоских примежевих шарів. На підставі порівняльного аналізу одержаних розрахунків, результатів канонічних експериментів Стенфордської конференції у широкому діапазоні зміни градієнтів тиску та чисел Рейнольдса для рівноважних і нерівноважних течій і наукових досліджень інших учених встановлено, що запропоновані методики не тільки не поступаються кращим з відомих, а за наявності значних градієнтів тиску дають більшу збіжність розрахунку та експеримента.

Текст работы:

Міністерство освіти і науки України


Національний авіаційний університет




РОМАНЮК Леонід Антонович




УДК 532.526




РОЗРОБКА МЕТОДИК РОЗРАХУНКУ ПЛОСКИХ
ПРИМЕЖЕВИХ ШАРІВ НА ОСНОВІ УДОСКОНАЛЕНОЇ
ОДНОПАРАМЕТРИЧНОЇ МОДЕЛІ




Спеціальність: 05.07.01 -

Аеродинаміка та газодинаміка літальних апаратів




АВТОРЕФЕРАТ ДИСЕРТАЦІЇ
на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук







Київ - 2004

Дисертацією є рукопис


Робота виконана на кафедрі вищої та обчислювальної математики Національного авіаційного університету Міністерства освіти і науки України.



Захист відбудеться  23 вересня 2004 року о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.062.05 в Національному авіаційному університеті за адресою: 03058, м.Київ-58, проспект Космонавта Комарова, 1; корп. 9, ауд. 201.


З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного авіаційного університету за адресою: 03058, м.Київ-58, проспект Космонавта Комарова, 1; корп. 8.


       Автореферат розісланий 21 серпня  2004 р.


Вчений секретар спеціалізованої
вченої ради, кандидат технічних наук,
старший науковий співробітник                                        Жданов О.І.

ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми дисертації визначається необхідністю подальшого удосконалення методів розрахунку льотно-технічних характеристик літальних апаратів, що в свою чергу вимагає удосконалення методів розрахунку аеродинамічних характеристик елементів літальних апаратів. Визначення опору тертя, профілів швидкостей на елементах літального апарату базується на застосуванні методів теорії примежевого шару. Теорія турбулентного примежевого шару дозволяє обчислити осереднені характеристики турбулентної течії, а також тлумачити результати експериментів з точки зору деяких загальних принципів. Неповнота знань механізмів турбулентності привела до необхідності побудови гіпотетичних напівемпіричних математичних моделей. Напівемпіричні моделі турбулентності Прандтля, Кармана, Клаузера та їх модифікації базуються на гіпотезі локальності механізму турбулентного переносу - турбулентне напруження тертя залежить тільки від локальної структури осередненої течії. Розрахунки за цими гіпотезами виявились ефективними для опису рівноважних та слабонерівноважних течій. Це спонукало до напрацювання напівемпіричних моделей з використанням напівемпіричних рівнянь для кінетичної енергії турбулентності, швидкості дисипації, рейнольдсових напружень тощо. Ключову роль в створенні цього напрямку відіграли праці Колмогорова (1942) та Прандтля (1945). Дисертаційна робота спрямована на побудову єдиної однопараметричної моделі турбулентності та створення на її основі наближено-аналітичних та числових методик розрахунку плоских нестисливих примежевих шарів. Виконані дослідження відповідають паспорту спеціальності 05.07.01, а саме: 1) в формулі спеціальності - механічна взаємодія газу з твердими тілами; 2) в напрямках досліджень - математичне моделювання течій газу при взаємодії з обтічними тілами.

Звязок роботи з науковими програмами, планами, темами. Матеріали дисертаційної роботи використані при виконанні науково-дослідних робіт №26-Ф4/к48 "Математичні аспекти в задачах авіаційно-космічної техніки" та №101-ДБ03 "Розробка та дослідження нових математичних моделей та чисельно-аналітичних методів для задач авіаційно-космічного спрямування" (державний реєстраційний номер №0103U000684). Відповідно до науково-дослідної тематики, що виконувалась на кафедрі вищої та обчислювальної математики НАУ, автором здійснені дослідження, повязані з побудовою однопараметричної моделі та методик розрахунку плоских примежевих турбулентних шарів.

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є удосконалення математичної моделі турбулентної течії плоских нестисливих рівноважних і нерівноважних примежевих шарів при відємному, нульовому, додатньому та знакозмінному градієнтах тиску, а також побудова на її основі більш ефективних, ніж відомі, розрахункових методик, які забезпечують кращу збіжність розрахунку та експерименту.


Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

  • удосконалити єдину алгебраїчну модель коефіцієнта турбулентної вязкості Мовчана на випадок однопараметричної моделі типу "кінетична енергія турбулентності";
  • отримати наближено-аналітичні залежності для кінетичної енергії турбулентності та її дисипації і для задання початкових умов;
  • побудувати на основі удосконаленої однопараметричної моделі методики розрахунку, виконати за цими методиками числові дослідження та порівняння з відомими експериментальними даними та розрахунками інших авторів;
  • виконати детальний аналіз порівнянь з експериментальними даними та при необхідності застосувати обчислювальний експеримент для уточнення моделі.

Обєктом досліджень є турбулентні плоскі нестисливі стаціонарні градієнтні та безградієнтні рівноважні та нерівноважні примежеві шари.

Предметом дослідження є осереднені характеристики та параметри турбулентних примежевих плоских шарів. У роботі використаний комплексний метод досліджень, який полягав у сумісному використанні наближено-аналітичного методу для отримання профілів кінетичної енергії турбулентності та її дисипації, методу прямих, чисельного моделювання та обчислювального експерименту для отримання основних характеристик та параметрів примежевих шарів. Достовірність досліджень дисертаційної роботи підтверджена порівняннями виконаних розрахунків з відомими з наукової літератури експериментальними результатами та чисельними розрахунками, які отримані рядом авторів на основі різних математичних моделей.

       Наукову новизну роботи складає удосконалена математична модель плоских нестисливих примежевих шарів при довільних градієнтах тиску, яка забезпечила створення більш ефективної методики розрахунку з точки зору збіжності теоретичних та експериментальних результатів. Запропоновано наближено-аналітичні залежності позонно для профілів кінетичної енергії та її дисипації з врахуванням різних видів градієнту тиску. Такий загальний підхід реалізовано вперше. За результатами обчислювальних експериментів знайшов подальше підтвердження експериментальний факт, який виявив Клаузер при порівняння експериментальних профілів швидкості при двох значеннях формпараметру форми профілю рівних 1,5 та 1,8 для рівноважних (Клаузер) та нерівноважних (Дьонхофф та Тетервін) течій - профілі при одних і тих же значеннях не співпадали. При цьому нерівноважні профілі виявилися більш плавними. Вказаний факт не враховувався при створенні математичних моделей іншими дослідниками. З точки зору законів розвитку профілю швидкості коефіцієнти пропорційності в моделі коефіцієнта турбулентної вязкості при ненульовому градієнті не співпадають. В роботі вперше запропоновані різні залежності для модельних коефіцієнтів рівноважних та нерівноважних турбулентних течій.


Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що вони є теоретичною основою при розвязку задач моделювання аеродинамічних характеристик елементів літальних апаратів і можуть знайти практичне застосування як методики розрахунків на стадії ескізного проектування обєктів, що повязані з турбулентними пристінними течіями.

Особистий внесок здобувача. Наукові положення, висновки та рекомендації, що викладені в дисертації та подані до захисту, отримані особисто автором. В дисертації відсутні результати, що належать співавторам, разом з якими опубліковані наукові праці.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися, обговорювалися та отримали позитивну оцінку на: Пятій науковій конференції вчених Росії, Білорусі, України (Севастополь, 1995), Пятій Міжнародній Науковій Конференції імені академіка М.Кравчука (Київ, 1996), на Другому міжнародному молодіжному форумі "Радіоелектроніка і молодь в ХХІ столітті (Харків, 1998), на Четвертій науково-технічній конференції ТДТУ (Тернопіль, 2000), на Пятій науковій конференції "Проблеми математичного моделювання сучасних технологій" (Хмельницький, 2002), на Шостій науковій конференції ТДТУ (Тернопіль, 2002), на Міжнародній науковій конференції "Авіа-2003" (Київ, 2003), на Сьомій науковій конференції ТДТУ (Тернопіль, 2003), на Восьмій науковій конференції ТДТУ (Тернопіль, 2004).

Публікації. Дисертація написана на основі робіт, виконаних автором у 1998-2004 роках. Результати дисертації опубліковано в 6 наукових працях, з них пять в фахових виданнях.

Структура й обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається зі вступу, переліку умовних позначень, чотирьох розділів, висновків, списку літератури. Зміст роботи викладений на 144 сторінках. Рисунків 38. Наведено 122 роботи вітчизняних та іноземних авторів.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі приведена загальна характеристика роботи: обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета та задачі дослідження, дана оцінка наукової новизни та практичного значення отриманих результатів.

Перший розділ містить огляд та аналіз стану досліджень з даної проблеми. Недосконалість фізичної моделі явища турбулентності, неповнота знань процесів зародження та розвитку його породжує значні труднощі при математичному моделюванні - система рівнянь в частинних похідних є незамкненою. Це змушує будувати гіпотетичні математичні моделі напівемпіричного типу. Явище турбулентності як фізичний процес настільки складне, що не вдається створити універсальну напівемпіричну математичну модель, яка б діяла на всіх проміжках часу та на всіх частинах течії. Шляхом аналізу результатів експериментів та спостережень виділяють ведучі фактори, що мають вирішальний вплив на розвиток течії в певні проміжки часу і на тій чи іншій частині руху. Побудувавши порівняно прості математичні гіпотетичні моделі, розвязують модельні рівняння. При такому підході потрібна організація машинних розрахунків та обчислювальних експериментів. Чим ширша постановка проблеми, тим важче скласти математичну модель та отримати конкретні результати. Напівемпіричні моделі залишаються на сьогодні основою для проведення конкретних розрахунків, не дивлячись на інтенсивний розвиток методик розрахунку за методом крупних вихорів чи прямого чисельного моделювання. Оскільки основні процеси переносу протікають в тонких шарах поблизу поверхні, то більшість експериментальних та теоретичних досліджень присвячені саме турбулентним течіям типу примежевого шару. Математичні напівемпіричні моделі турбулентності своїми витоками зобовязані працям Буссінеска, Рейнольдса, Тейлора, Кармана, Прандтля. Оскільки математичне моделювання напівемпіричного спрямування спирається на знання його структури, то зясування її стало однією з центральних проблем механіки турбулентних течій. Спочатку Прандтль запропонував двозонну схему, а згодом Карман - тризонну.

Експериментальні результати багатьох дослідників дозволили уточнити структурну схему примежевого шару і на сьогодні вона виглядає складеною з двох областей: внутрішньої з трьома зонами - вязкою, перехідною та логарифмічною; зовнішньої з зоною дефекту швидкості та надшару переміжності.

Остаточно схема двох областей утвердилась після класичних експериментальних результатів Клаузера стосовно вихоревої структури шару. Згідно цих досліджень в пристінній області турбулентість мілкомасштабна з "короткою памяттю", в зовнішній області - великомасштабна з "довгою памяттю". Затухання збурень в зовнішній області відбуваються на віддалі, яка значно перевищує віддаль у внутрішній області, та рівна декільком товщинам примежевого шару. Це означає, що течія в зовнішній області в значній мірі залежить від передісторії. Області суттєво різняться масштабами вихоревих структур. Подальші дослідження виявили існування великомасштабних квазіперіодичних, детермінованих або когерентних структур, які виявляють суттєвий, а то і визначальний вплив на розвиток течії. Згідно експериментальних досліджень існує чотири основних елементи організованих структур. Ланцюжок поздовжніх вихорів, що обертаються в протилежних напрямах, коливаються та щільно покривають всю гладку стінку. Над ними розміщена зона низькошвидкісних рухів з чергуванням більшої та меншої швидкостей. Області переміжності називають джгутами. Взаємодія джгутів з течією відбувається в такій послідовності: утворення, підйом, раптові коливання і руйнування. Послідовність від підйому до коливання називають спалахами. У зовнішній області також відбуваються інтенсивні дрібномасштабні рухи. Осно