Российский фонд
фундаментальных
исследований

Физический факультет
МГУ им. М.В.Ломоносова
 

08.10 Ударные и взрывные волны, звуковой удар

 

Булат П.В., Денисенко П.В., Продан Н.В. «Интерференция встречных скачков уплотнения» Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 15, № 2, с. 346-355 (2015)

Предмет исследования. Рассматривается взаимодействие встречных скачков уплотнения. Необходимость изучения встречных скачков возникает при проектировании современных воздухозаборников внутреннего сжатия, рассчитанных на большие числа Маха, прямоточных воздушно-реактивных двигателей с дозвуковым и сверхзвуковым горением, в несимметричных сверхзвуковых соплах и в ряде других случаев. В некотором смысле данная задача является обобщением случая отражения косого скачка от стенки или от плоскости симметрии. С новой силой интерес к данной задаче проявился с конца 90-х годов прошлого столетия. Это было связано со стартом программ изучения полета с гиперзвуковыми скоростями. Первые же эксперименты, проведенные с воздухозаборниками, в которых реализуется взаимодействие встречных скачков уплотнения, показали, что изменение скорости потока сопровождается резкими скачкообразными перестройками ударно-волновой структуры, возникновением нестационарных и колебательных явлений. С увеличением скорости потока эти неприятные для конструкции летательного аппарата явления становились более выраженными. Причина заключается в том, что существует два принципиально различающихся режима взаимодействия встречных скачков: четырехволновой регулярный и пятиволновой нерегулярный. Переход от одного режима к другому может быть нестационарным скачкообразным или плавным, а также может сопровождаться гистерезисом. Основные результаты. Описаны критерии перехода от регулярного отражения встречных скачков к нерегулярному – критерий фон Неймана и критерий стационарной маховской конфигурации. Описаны области, в которых переход от одного типа отражения к другому возможен только скачком, а также области возможного плавного перехода. Представлены зависимости интенсивности отраженных скачков от интенсивности взаимодействующих встречных скачков. Представлены качественные картины ударно-волновых структур, возникающих при взаимодействии встречных скачков уплотнения. Приведены результаты расчетов интенсивности исходящих газодинамических разрывов – интенсивностей, соответствующих переходу от регулярной интерференции к нерегулярной. Выполнены численные расчеты трансформации ударно-волновой структуры в условиях гистерезиса. Результаты сравнены с экспериментом, выполненным методом гидроаналогии. Практическая значимость. Результаты работы дополняют теорию интерференции стационарных газодинамических разрывов и могут быть использованы при проектировании перспективных образов сверхзвуковых и гиперзвуковых летательных аппаратов.

Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 15, № 2, с. 346-355 (2015) | Рубрика: 08.10

 

Булат П.В., Денисенко П.В. «Интерференция скачков уплотнения одного направления» Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 15, № 3, с. 500-508 (2015)

Предмет исследования. Рассматривается интерференция скачков уплотнения одного направления или, как их еще называют, догоняющих скачков уплотнения. Цель работы – дать классификацию ударно-волновых структур, возникающих при такого рода взаимодействии ударных волн, и область их существования. В результате пересечения скачков уплотнения одного направления в точке пересечения возникает ударно-волновая структура, содержащая главный скачок уплотнения, тангенциальный разрыв и еще один отраженный газодинамический разрыв, тип которого заранее неизвестен. Задача об определении типа отраженного разрыва – это основная задача, которую приходится решать при изучении интерференции догоняющих скачков. Основные результаты. Представлены качественные картины ударно-волновых структур, возникающих при взаимодействии догоняющих скачков уплотнения. Описаны области, в которых имеет место регулярное и нерегулярное взаимодействие догоняющих скачков. Наибольший интерес представляют характеристические ударно-волновые структуры, в которых отраженный разрыв вырождается в разрывную характеристику. Такие структуры обладают рядом экстремальных свойств. В работе найдены области существования таких ударно-волновых структур. Существуют также области, в которых стационарное решение отсутствует. Последнее определило возрождение интереса к теоретическому изучению рассматриваемой задачи, так как былиобнаружены факты внезапного разрушения ударно-волновой структуры внутри воздухозаборника сверхзвуковых летательных аппаратов при больших числах Маха. Практическая значимость. Теория интерференции скачков уплотнения одного направления и методика их расчета могут быть применены при проектировании сверхзвуковых воздухозаборников. Актуальным также является исследование возможности использования догоняющих косых ударных волн для создания пересжатой детонации в перспективных детонационных воздушно-реактивных и ракетных двигателях.

Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 15, № 3, с. 500-508 (2015) | Рубрика: 08.10

 

Булат П.В., Волков К.Н. «Монотонизирующая коррекция производных для расчета сверхзвуковых течений со скачками уплотнения» Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 15, № 4, с. 741-747 (2015)

Предмет исследования. Рассматриваются численные методы решения задач газовой динамики, основанные на точном и приближенном решении задачи о распаде произвольного разрыва (задача Римана). Разработан подход к численному решению уравнений Эйлера, описывающих течения невязкого сжимаемого газа, на основе метода конечных объемов и разностных схем расчета потоков различного порядка точности. В расчетах используются схема Годунова, схема Колгана, схема Рое, схема Хартена и схема Чакраварти–Ошера (порядок разностных схем изменяется от 1-го до 3-го). Сравнение точности и эффективности различных разностных схем демонстрируется на примере расчета течения невязкого сжимаемого газа в сопле Лаваля в случае непрерывного ускорения газа в сопле и в случае наличия соплового скачка уплотнения. Делаются выводы о точности различных разностных схем и затратах времени, необходимых на их реализацию. Основные результаты. Проведен сравнительный анализ разностных схем, предназначенных для интегрирования уравнений Эйлера и основанных на точном и приближенном решении задачи о распаде произвольного разрыва. Результаты расчетов показывают, что монотонизирующая коррекция производных обеспечивает монотонность численного решения в окрестности разрыва. С одной стороны, она предотвращает образование новых экстремумов, обеспечивая свойство монотонности, а с другой, приводит к сглаживанию существующих минимумов и максимумов и к потере точности. Практическая значимость. Разработанный метод численного расчета позволяет выполнять с высокой точностью расчеты течений с сильными нестационарными ударными и детонационными волнами. При этом не возникают нефизические осцилляции решения на фронте ударной волны.

Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 15, № 4, с. 741-747 (2015) | Рубрика: 08.10

 

Булат П.В., Денисенко П.В., Продан Н.В., Упырев В.В. «Гистерезис интерференции встречных скачков уплотнения при изменении числа Маха» Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 15, № 5, с. 930-941 (2015)

Предмет исследования. Рассматривается интерференция встречных скачков уплотнения, а также отражение косого скачка от стенки. Существует два принципиально различающихся режима взаимодействия встречных скачков: четы- рехволновой регулярный и пятиволновой нерегулярный. Переход от одного режима к другому может быть нестационарным, скачкообразным или плавным, также он может сопровождаться гистерезисом. Под гистерезисом понимают возможность существования при одних и тех же параметрах интерференции двух различных видов ударно-волновых структур. Реализация того или иного решения зависит от направления и, возможно, скорости изменения параметров. Гистерезис при интерференции встречных скачков и при отражении косого скачка уплотнения от стенки изучается с середины 1960-х гг., но наиболее активно – в течение последних 20 лет. Это связано, в частности, с разработкой новых типов воздухозаборников внутреннего и смешанного сжатия, предназначенных для больших сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростей. Несмотря на активные исследования проблемы, многие вопросы остались невыясненными, в том числе несовпадение результатов вычислительных и физических экспериментов с данными, полученными с помощью аналитической теории интерференции стационарных газодинамических разрывов, а также влияние скорости изменения параметров, точности вычислений, числа узлов разностной сетки. В настоящей работе рассматривается влияние двух факторов: ранга разностной сетки и степени размытия фронта скачков уплотнения. Основные результаты. Как показали аналитические и численные расчеты, размытие скачков и переход от мелкой разностной сетки к более грубой сопровождается сужением области гистерезиса, т.е. моменты перехода от регулярного отражения к нерегулярному и обратно удаляются от предсказанных теорией. Измельчение сетки приводит к сходимости решения к результатам теории интерференции стационарных газодинамических разрывов.

Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 15, № 5, с. 930-941 (2015) | Рубрика: 08.10

 

Булат П.В., Денисенко П.В., Упырев В.В. «Несимметричное взаимодействие встречных косых ударных волн» Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 15, № 5, с. 942-949 (2015)

Предмет исследования. В работе приведены сведения об интерференции встречных скачков уплотнения, интенсивность и углы наклона к потоку которых различны. Данная задача имеет отношение к проблеме проектирования воздухозаборников с внутренним сжатием, а также детонационных двигателей с горением в стационарной пересжатой детонационной волне. Рассмотрены как регулярная форма интерференции, так и нерегулярная маховская. Приведены расчеты интенсивности отраженных скачков уплотнения для обоих случаев. Как будет показано ниже, имеется возможность получения очень большой разницы в интенсивности отраженных скачков. Основные результаты. Описаны критерии перехода от регулярного отражения встречных скачков к нерегулярному: критерий фон Неймана, а также критерий стационарной маховской конфигурации. Представлены зависимости интенсивности отраженных скачков от интенсивности взаимодействующих встречных скачков как для случая регулярного взаимодействия, так и для нерегулярной интерференции. Продемонстрирован вид зависимости интенсивности одного из отраженных скачков от интенсивности двух приходящих скачков как при переходе от регулярного к нерегулярному отражению в соответствии с критерием отсоединения фон Неймана, так и в соответствии с критерием стационарной маховской конфигурации. В первом случае переход сопровождается скачкообразным изменением интенсивности отраженного скачка, во втором случае интенсивность изменяется непрерывным образом. Практическая значимость. Результаты работы дополняют теорию интерференции стационарных газодинамических разрывов и могут быть использованы при проектировании перспективных воздухозаборников внутреннего сжатия сверхзвуковых и гиперзвуковых летательных аппаратов.

Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 15, № 5, с. 942-949 (2015) | Рубрика: 08.10

 

Булат П.В., Волков К.Н. «Произвольное взаимодействие плоских сверхзвуковых потоков» Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 15, № 6, с. 1155-1168 (2015)

Предмет исследования. Рассматривается задача Римана о распаде произвольного разрыва параметров при столкновении под некоторым углом двух плоских потоков. Задача решается в точной постановке. К задаче о произвольном взаимодействии двух сверхзвуковых потоков может быть сведено большинство случаев интерференции как стационарных, так и нестационарных газодинамических разрывов, течения за которыми – сверхзвуковые. В зависимости от соотношения параметров в потоках исходящие разрывы могут быть или скачками уплотнения, или волнами разрежения. В некоторых случаях решение может отсутствовать вовсе. Важно уметь находить области существования соответствующих решений, так как вид образующихся ударно-волновых структур в этих областях заранее известен. Задача о распаде разрыва используется в численных методах типа метода Годунова. Обычно применяется приближенное решение, известное как решение Ошера, но в ряде задач, когда требуется высокая точность, необходимо решать эту задачу в точной постановке. Основные результаты. Рассмотрены области существования решений с различными типами ударно-волновой структуры. Аналитически определены границы существования решений с двумя исходящими скачками уплотнения, а также с исходящими скачком и волной разрежения. Выявлена область чисел Маха и углов, под которым взаимодействуют потоки, при которых решение отсутствует. Специфические течения с двумя исходящими волнами разрежения не рассматриваются.

Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 15, № 6, с. 1155-1168 (2015) | Рубрика: 08.10

 

Булат П.В., Денисенко П.В. «Тенденции разработки детонационных двигателей для высокоскоростных воздушно-космических летательных аппаратов и проблема тройных конфигураций ударных волн. Часть II. Исследования встречных ударных волн и тройных ударно-волновых конфигураций» Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 16, № 2, с. 199-223 (2016)

Рассматриваются актуальные задачи развития теории интерференции газодинамических разрывов в приложении к задаче совершенствования силовых установок воздушно-космических летательных аппаратов, рассчитанных на большие сверхзвуковые скорости полета. В первой части обзора была изложена история изучения детонации и различные концепции детонационных двигателей, а также воздухозаборников, рассчитанных на гиперзвуковые скорости полета. Во второй части приведен обзор работ по развитию теории интерференции газодинамических разрывов. Приведена классификация газодинамических разрывов, ударно-волновых процессов, ударно-волновых структур, тройных конфигураций ударных волн. Показано, что многие из этих процессов сопровождаются явлением гистерезиса, имеются области неоднозначности, следовательно, при проектировании двигателей и воздухозаборников необходимо уметь создавать оптимальные ударно-волновые структуры и обеспечивать их устойчивость. Большое внимание в последнее время уделяется использованию в воздухозаборниках ударно-волновых структур, с переотражением скачков уплотнения и интерференцией скачков уплотнения противоположных направлений. В настоящем обзоре им уделено основное внимание, приведены ссылки на этапные работы, последние расчетные и экспериментальные результаты. К сожалению, в зарубежных обзорах пропущены многие этапные работы советских и российских исследователей, так как они не были опубликованы на английском языке. В то же время, именно советская школа газовой динамики сформулировала теорию интерференции газодинамических разрывов в современном виде. Одной из целей настоящего обзора является восполнение этого пробела. Обзор может быть рекомендован специалистам, инженерам и научным сотрудникам, работающим в области аэрокосмической техники.

Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 16, № 2, с. 199-223 (2016) | Рубрики: 08.10 14.06

 

Булат П.В., Волков К.Н. «Численное моделирование дифракции ударной волны на прямом угле на неструктурированных сетках» Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 16, № 2, с. 354-362 (2016)

Предмет исследования. Представлены результаты моделирования и исследования дифракции ударной волны различной интенсивности на плоском прямом угле. Метод. Численная модель построена на основе решения нестационарных уравнений Эйлера для невязкого сжимаемого газа. Для дискретизации уравнений Эйлера на неструктурированных сетках применен метод конечных объемов и явная схема WENO-типа, имеющая третий порядок точности. Конвективные потоки рассчитаны независимо по каждому направлению с помощью приближенного решения задачи Римана (метод HLLC). Интегрирование по времени проведено методом Рунге–Кутты третьего порядка. Основные результаты. Определена структура течения и его количественные характеристики. Для визуализации и интерпретации результатов численных расчетов применена процедура выделения и классификации газодинамических разрывов, основанная на использовании условий динамической совместности и методов цифровой обработки изображений. Результаты расчетов обработаны в виде численных теневых картин, шлирен-изображений и интерферограмм. Выполнено сравнение с данными оптических наблюдений. Продемонстрировано существенно лучшее совпадение с экспериментальными данными по сравнению со стандартными численными методами. Примененный численный метод повышенного порядка точности позволил получить численное решение, свободное от паразитных осцилляций на ударных волнах при минимальном размазывании ударных волн по разностным ячейкам. Практическая значимость. Исследование ударно-волновых явлений представляет интерес для решения задач, связанных с воздействием ударных волн на элементы конструкции, функционированием импульсных газодинамических устройств, использованием ударных волн в технологических процессах. При сверхзвуковом обтекании угловых конфигураций возникают интерференционные и дифракционные явления, осложненные отрывом потока. Все это существенно осложняет расчет подобных явлений с помощью стандартных разностных методов. Не меньшую сложность представляет и задача интерпретации результатов, в частности, выделения газодинамических разрывов и идентификации их типов.

Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 16, № 2, с. 354-362 (2016) | Рубрика: 08.10

 

Тукмаков Д.А., Тукмакова Н.А., Ахунов А.А. «Численное исследование распространения акустического импульса из однородного газа в электрически заряженную запыленную среду;» Вестник Адыгейского государственного университета. Серия 4: Естественно-математические и технические науки, № 1, с. 62-68 (2020)

Рассматривается взаимодействие акустического возмущения, генерируемого движущейся электрически заряженной запыленной средой с акустическим возмущением, распространяющимся из чистого газа. Выявлено, что при воздействии встречного акустического импульса происходит увеличение давления в акустическом возмущении, движущегося из электрически заряженной газовзвеси.

Вестник Адыгейского государственного университета. Серия 4: Естественно-математические и технические науки, № 1, с. 62-68 (2020) | Рубрика: 08.10

 

Еремьянц В.Э., Васильков Р.Е. «Определение конструкционной податливости пластины, защемленной по двум противоположным сторонам» Вестник Кыргызско-Российского Славянского университета (КРСУ), 20, № 8, с. 40-44 (2020)

Обосновывается необходимость установления влияния конструкционной податливости обрабатываемого объекта на коэффициент восстановления скорости бойка ударной машины для очистки поверхностей. От этого параметра зависит режим работы виброударной машины, её производительность и энергоемкость. Приводятся результаты предшествующих и новых экспериментальных исследований соударения шара с пластиной, защемленной по двум противоположным сторонам. Представлены экспериментальные зависимости коэффициента восстановления скорости шара при ударе по пластинам различного размера от координаты точки удара на их поверхности. Предложен алгоритм определения коэффициентов конструкционной податливости и жесткости пластины, основанный на классических представлениях теории колебаний пластин. Показано, что расчетные зависимости, полученные по этому алгоритму, качественно совпадают с результатами экспериментов. Отмечена необходимость дальнейшего уточнения этого алгоритма путем учета в математической модели упругопластических контактных деформаций.

Вестник Кыргызско-Российского Славянского университета (КРСУ), 20, № 8, с. 40-44 (2020) | Рубрика: 08.10

 

Тукмаков Д.А. «Численное моделирование массопереноса дисперсной фазы аэрозоля в нелинейных волновых полях для осесимметричной квазитрехмерной геометрической постановки» Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. Физико-математические науки, № 1, с. 49-63 (2019)

Проводится численное моделирование колебаний столба аэрозоля в трубах на резонансных частотах. Выводится математическая модель динамики гетерогенной среды-смеси с приблизительно равными массовыми долями компонент. Математическая модель предполагает решение полной системы уравнений динамики для каждой из компонент смеси. Несущая среда представляет собой вязкий сжимаемый теплопроводный газ. Дисперсная составляющая аэрозоля описывается уравнениями сохранения средней плотности, сохранения компонент импульса и сохранения энергии. Математическая модель предполагает учет сил взаимодействия газа и капель аэрозоля, в качестве которых рассмотрены сила Стокса, сила Архимеда и сила присоединенных масс, также учитывается межкомпонентный теплообмен. Система уравнений математической модели – восемь уравнений в частных производных – решается с помощью конечно-разностного алгоритма, реализованного в виде программного кода. Уравнения математической модели дополняются соответствующими начальными и граничными условиями. На основе полученной численной модели исследуются закономерности перераспределения плотности дисперсной составляющей аэрозоля в волновых полях. Выявляется влияние размера капель на распределение дисперсной компоненты многофазной среды в процессе резонансных колебаний в трубах.

Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. Физико-математические науки, № 1, с. 49-63 (2019) | Рубрики: 04.11 05.09 08.10