МИНИСТЕРСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЗДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ЮЖНО–УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

КАФЕДРА «ЛЕТАТЕЛЬНЫЕ АППАРАТЫ И АВТОМАТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ»

Научно-исследовательская работа

Исследование параметров пограничного слоя при больших числах Маха

Выполнил: Овчарик Е.В.

Группа: АК–299

Проверил: Сидельников Р. В.

Челябинск

2011

АННОТАЦИЯ

Овчарик Е.В. Научно-исследовательская работа. Исследование параметров пограничного слоя при больших числах Маха: – Челябинск: ЮУрГУ, АК, 2011 г, 34 с, Иллюстраций – 18, таблиц – 8, источников –3.

Цель данной работы заключается в исследовании возможности ANSYS CFX применительно к расчетам высокоскоростного пограничного слоя.

В рамках данной работы исследованы параметры пограничного слоя при числе Маха М = 6. Исследование состоит из двух этапов: реализация модели обтекания в ANSYS CFX (численный расчет); создание математической модели в MATLAB Simulink и приведено их сравнение.

В работе была использована простейшая модель – обтекание пластины.

По итогам работы была достигнута основная цель – расчитаны параметры пограничного слоя. Характер изменения температуры стенки и напряжения трения совпадали с полуэмпирическим расчетом. Но характер изменения коэффициента теплоотдачи дает качественно неверные результаты. Поэтому необходимо продолжать данное исследование.

ОГЛАВЛЕНИЕY

ВВЕДЕНИЕ 4

ОБОЗНАЧЕНИЯ, ПРИНЯТЫЕ В РАБОТЕ 5

1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ 6

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ 8

3. РЕАЛИЗАЦИЯ МОДЕЛИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ В SIMULINK [3] 11

4. Численный расчет параметов пограничного слоя 16

5. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ и выводы. 32

ЛИТЕРАТУРА 34

ВВЕДЕНИЕ 4

ОБОЗНАЧЕНИЯ, ПРИНЯТЫЕ В РАБОТЕ 5

1. Исходные данные 6

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ 8

2.1. Расчет параметров несжимаемого пограничного слоя 8

2.2. Расчет параметров сжимаемого пограничного слоя для модели газа с постоянной теплоемкостью () 9

3. РЕАЛИЗАЦИЯ МОДЕЛИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ В SIMULINK [3] 11

4. Численный расчет параметов пограничного слоя 16

4.1 Создание сетки в ICEM CFD 12.0 16

4.1.1 Описание расчетной области 16

4.1.2 Построение сетки расчетной области в пакете ANSYS ICEM 17

7.1.3 Анализ качества Hexa сетки в пакете ANSYS ICEM 13.0 20

4.2 Расчет с помощью ANSYS CFX 22

4.2.1. Модуль CFX-Pre 22

4.2.2 Модуль CFX-Solver 27

7.2.3 Модуль CFX-Post 29

5. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ и выводы. 32

ЛИТЕРАТУРА 34

Введение

Исследование высокоскоростного пограничного слоя (ВСПС) является важной задачей в ракетостроении. Наиболее приоритетным является расчет параметров ВСПС на конечном участке траектории, на котором появляются высокие числа Маха (до М = 20), а соответственно и высокие температуры на поверхности боевого блока. Зная параметры ВСПС можно выбрать необходимое теплозащитное покрытие. Так как ранее параметры ВСПС определялись полуэмпирическими расчетами, появилась необходимость исследования пограничного слоя численными методами.

Под пограничным слоем (ПС) в узком смысле этого понятия, как вихревого или скоростного ПС понимают тонкую в поперечном к потоку направлении область течения реальной среды, где, в отличие от окружающего ее безвихревого потока, движение является вихревым и характеризуется резкими изменениями скорости и завихренности в поперечном к потоку направлении.

В данной работе проверяется применимость численных методов (ANSYS CFX) к расчетам параметров ВСПС.

Предварительно был произведен численный расчет обтекания пластины при M = 16, но так как он дал качественно и количественно неверные результаты, было принято решение снизить число Маха до М = 6. Расчет в данной работе будет произведен на простейшей модели – плоской пластине. Параметры ВСПС такой модели описаны в [1, 2], т.о. необходимо создать математическую модель, описанную в [1] и сравнить ее с численным расчетом. Если результаты аналитического и численного счета будут совпадать, то можно применять численные расчеты для определения параметров ВСПС для более сложных тел, например конус.

Обозначения, принятые в работе

1) Параметры:

– толщина ПС;

– скорость потока газа;

– скорость звука в воздухе;

– плотность газа;

– давление газа;

– температура газа;

– энтальпия газа;

– теплоемкость газа при постоянном давлении;

– местные напряжения трения;

– коэффициент силы трения на пластине;

– местный коэффициент теплоотдачи;

– динамический коэффициент вязкости газа;

– коэффициент восстановления;

– кинематический коэффициент вязкости газа;

– число Маха;

– число Рейнольдса;

– число Стантона.

2) Индексы:

– значение, вычисленное при параметрах адиабатической стенки;

– местное значение;

– определяющее значение;

кр – критическое значение.

несж – значение вычисленное, без учета сжимаемости газа;

сж – значение вычисленное, с учетом сжимаемости газа;

ст – значение, вычисленное на пластине.