Дослідження імпульсних і хвильових рухів ідеальної стисливої рідини з рухомими границями та кавітацією. Розроблення математичної моделі ряду гідроімпульсних установок і технологічних процесів та моделі кавітації з постійним тиском і постійною густиною.
Аннотация к работе
Імпульсні і хвильові рухи рідини з рухомими границями зустрічаються у багатьох фізичних процесах, повязаних з короткочасним й інтенсивним впливом на рідину - удар, вибух, електричний розряд і тощо. Великі тиски та хвильовий характер вимагають урахування стисливості рідини, а їх короткочасність дозволяє знехтувати її вязкістю та теплопровідністю, тобто процеси вважати адіабатичними, а рідину - ідеальною і стисливою. Тому розробка математичних моделей, які адекватно відображують імпульсні і хвильові рухи рідини з рухомими границями і кавітацією, створення надійних і ефективних методів розвязання визначальних рівнянь, експериментальна перевірка і практичне застосування розроблених моделей і методів при розвязанні конкретних прикладних задач є актуальною проблемою, вирішенню якої і присвячена запропонована робота. Д/б тема 96-1вв/33 “Математичне моделювання і чисельне розвязання задач нестаціонарного руху рідини” (№ ДР 0196U003641), д/б тема В-86.50-2/8.26 “Дослідження закономірностей імпульсних і хвильових рухів рідини” (№ ДР 01880064676), д/б тема В-81.21/8.26 “Дослідити закономірності імпульсних течій рідини і розробити теоретичні основи імпульсного гідродинамічного способу руйнування гірських порід” (№ ДР 8103448), г/д тема № 90-099-47 “Дослідження гідродинамічних параметрів гідрогармат з пороховим джерелом енергії” (№ ДР 01900054726), г/д тема № 84-099-93 “Дослідження течій при електричному розряді у воді в замкнутих обємах” (№ ДР 01840011985). Метою роботи є дослідження закономірностей імпульсних і хвильових рухів рідини з рухомими границями і кавітацією для створення, удосконалення та оптимізації гідроімпульсних установок та технологій, що реалізують ці процеси.У першому розділі дається загальна характеристика імпульсних і хвильових рухів рідини з рухомими границями, робиться огляд досліджень гідроімпульсних установок, імпульсних високонапірних струменів рідини, рухів рідини при підводному електричному розряді, обговорюються перспективи розвитку, визначається місце дійсних досліджень. Розрахунок течій з кавітацією ускладнюється тим, що розглянуті процеси є нестаціонарними, супроводжуються великими тисками і швидкостями, вимагають обліку стисливості рідини. Існує кілька моделей нестаціонарної кавітації, заснованих на представленнях суцільного середовища: 1) модель з постійним тиском, 2) модель з постійною швидкістю звуку, 3) модель із заданою концентрацією зародків кавітації, 4) паро-рідинна модель (Ш. У. Показано, що при розрахунку методом Годунова додаються нові типи розпадів розривів, а при розрахунку характеристичними методами змінюються умови на характеристиках, що ускладнює алгоритм. Метод VIS має другий порядок, легко узагальнюється на двовимірні течії, не вимагає виділення границь кавітації, дозволяє проводити розрахунки в рухомих сітках і просто змінювати рівняння стану.Розроблено пакет прикладних програм для комплексного розрахунку параметрів порохової ГГ і ІВ, що був використаний у НДПКІ “Іскра” при розрахунку, проектуванні і виготовленні порохової ГГ для підводних і польових робіт. (Автору належить ідея роботи, спільна розробка методу розрахунку, обговорення результатів). (Автору належить ідея роботи, постановка задачі, спільна розробка методу розрахунку, обговорення результатів). (Автору належить ідея роботи, постановка задачі, спільна розробка методу розрахунку, обговорення результатів). (Автору належить спільна постановка задачі, розробка методу розрахунку, обговорення результатів).
План
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Вывод
У дисертації одержані нові науково обґрунтовані результати, що у сукупності вирішують важливу науково-прикладну проблему, яка полягає у розробці, узагальненні та розвитку теоретичних основ математичного та експериментального моделювання імпульсних та хвильових процесів при русі рідини з рухомими границями та кавітацією.
Нові наукові та практичні результати роботи полягають у наступному: 1. Розроблено математичні моделі ряду гідроімпульсних установок і технологічних процесів, які адекватно відображають розглянуті процеси. Сформульовані критерії застосовності різних моделей.
2. Розвинені та адаптовані надійні та ефективні чисельні методи для розвязання задач нестаціонарного руху ідеальної стисливої рідини з рухомими границями і кавітацією. Надійність методів перевірена при розвязанні тестових задач шляхом порівняння з відомими рішеннями та експериментом.
3. На модельних і прикладних задачах досліджені моделі кавітації з постійним тиском і постійною швидкістю звуку. Запропоновано спрощену модель кавітації з постійним тиском і постійною густиною. Вирішено ряд прикладних задач, течія рідини в яких супроводжується кавітацією. Показано, що ігнорування кавітації приводить до кількісного і якісного перекручування процесу.
4. Для опису процесів у пороховій ГГ і ІВ розвинена двофазна одношвидкісна газодинамічна модель палаючої газо-порохової суміші з джерелами маси, імпульсу та енергії. Установлено, що хвильовий характер руху газо-порохової суміші незначно позначається на основних гідродинамічних параметрах установок.
5. Розроблено пакет прикладних програм для комплексного розрахунку параметрів порохової ГГ і ІВ, що був використаний у НДПКІ “Іскра” при розрахунку, проектуванні і виготовленні порохової ГГ для підводних і польових робіт.
6. Теоретично та експериментально досліджена внутрішня балістика порохової ГГ і ІВ. Оцінено вплив різних факторів на параметри ГГ і ІВ. Розрахований і спроектований дослідний зразок ГГ підвищеної потужності зі змінними соплами. Виміряно тиск усередині установки, швидкість голови струменя та імпульс струменя. Для виміру швидкості та імпульсу струменя розроблений безконтактний лазерний вимірник швидкості і балістичний маятник. Показано адекватність розроблених математичних моделей реальним процесам і підтверджена вірогідність результатів розрахунків. Використання цих розробок дозволило створити установки з заданими гідродинамічними параметрами та оптимізувати їхні масогабаритні і тактико-технічні характеристики на 20 - 50 %.
7. Розроблено загальну теорію ГГ для ідеальної нестисливої рідини, що описується системою звичайних диференціальних рівнянь. Показано, що теорії поршневої і порохової ГГ є окремими випадками загальної теорії при визначених граничних умовах. Сформульовано критерії для урахування стисливості води в ГГ за числом Маха для максимальної швидкості і характерному часу.
8. Запропоновано і обґрунтовано метод слабко стисливої рідини для оцінки впливу стисливості рідини на параметри ГГ і ІВ. Правомірність методу доведена теоретично і шляхом порівнянням результатів розрахунків для нестисливої, стисливої і слабко стисливої рідини.
9. Отримані кількісні оцінки для обґрунтування квазіодномірної моделі течії і допустимості нехтування вязкістю води в ГГ і ІВ. Оцінка впливу вязкості на параметри ГГ зроблена за числом Рейнольдса, товщині прикордонного шару і прямими розрахунками за допомогою пакета ANSYS методом слабко вязкої рідини на модельній задачі. Встановлено, що втрати повного напору на тертя води у пороховій ГГ містять близько 4 %, а максимальні значення швидкості для вісісиметричній і квазіодномірній течії в ГГ відрізняються на 1 %.
10. Вирішено ряд прикладних задач для різних гідроімпульсних установок: прес-гармат, гідрогармати ударної дії, імпульсного генератора струменів. Отримано результати, що дозволяють глибше зрозуміти фізику процесів, що відбуваються, і керувати ними.
11. Чисельно досліджене поширення і взаємодія імпульсних струменів рідини. Показано, що витікання надзвукового недорозширеного струменя рідини супроводжується кавітацією. Установлено, що затоплений струмінь порохової ГГ і ІВ може ефективно впливати на перешкоду на відстані 10 - 20 радіусів сопла. Показано, що вязкістю води можна знехтувати.
12. Досліджено динаміку циліндричної і сферичної порожнини і перевипромінювання оболонок при підводному електричному розряді у різних умовах. Для розрахунку гідродинамічних полів у великих відкритих і замкнутих обємах при тривалих процесах розроблені спеціальні адаптуємі і прогресивні сітки з змінним кроком. Встановлено, що тверда поверхня більш впливає на параметри порожнини, чім вільна. Початковий радіус порожнини і термін введення енергії слабко впливає на параметрі порожнини. Пружні оболонки зменшують період пульсації порожнини тим сильніше, чим вони жорсткіші. Гумові оболонки практично не спотворюють імпульс тиску, а сталеві генерують вторинні імпульси. При зануренні оболонки на глибину характер імпульсу тиску не змінюється. Гідродинамічні поля для нафти і води якісно збігаються.
13. Вирішено ряд прикладних задач для технологічних процесів на основі електрогідравлічного ефекту. Отримані результати були використані в ІІПТ НАН України при конструюванні робочих камер і вузлів електрогідравлічних установок і оптимізації режимів їх роботи.
Вірогідність отриманих результатів забезпечується комплексним підходом до досліджень, який складається з використання адекватних математичних моделей, надійних чисельних методів, тестуванні алгоритмів, порівнянні з аналітичними рішеннями, рішеннями інших авторів і експериментом.
ПЕРЕЛІК основних публикацій за темою дисертації та особистий внесок в них автора
Публікації у наукових фахових виданнях з технічних наук
Семко А.Н. Выход ударной волны из цилиндрической трубы в открытый объем, заполненный жидкостью // Вестник ХГПУ. - Харьков: ХГПУ, 1998. - Вып. 8. - С. 169 - 172.
Семко А.Н. О движении жидкости при электрическом разряде на оси цилиндрической перфорированной оболочки // Вестник ХГПУ. - Харьков: ХГПУ, 1998. - Вып. 10. - С. 85 - 89.
Семко А.Н. Расчет параметров гидропушки с амортизатором // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сб. научных трудов. - Донецк: ДОНГТУ, 1998. - Вып. 5. - С. 186 - 190.
Семко А. Н. Расчет параметров импульсного водомета с пороховым приводом // Придніпровський науковий вісник: Технічні науки. - 1998. - № 42 (109). - С. 77 - 80.
Семко А. Н. Гидроимпульсная пресс-пушка с расширенной рабочей камерой // Вісник Донецького університету, Серія А. Природничі науки. - 1998. - № 2. - С. 62 - 65.
Семко А.Н. Влияние течения через торцы при запрессовке труб // Вісник Донецького університету, Серія А. Природничі науки. - 2000. - № 1. - С. 107 - 110.
Семко А. Н. Расчет течения в гидропушке численным методом с искусственной вязкостью // Прикладная гидромеханика. - 2000. - Т. 2 (74). - № 1. С. 88 -91.
Семко А.Н. О влиянии конусности сопла на параметры порохового импульсного водомета // Вісник Донецького університету, Серія А. Природничі науки. - 2001. - № 1. - С. 66 - 70.
Коломенская В.В., Семко А.Н. Об использовании метода потенциала для расчета газодинамических течений // Вісник Донецького університету, Серія А. Природничі науки. - 2002. - № 2. - С. 244 - 248. (Автору належить ідея роботи, спільна розробка методу розрахунку, обговорення результатів).
Марченко О.А., Семко А.Н. Исследование импульсного генератора струй жидкости с учетом кавитации // Вісник Донецького університету, Серія А. Природничі науки. - 2002. № 1. - С. 162 - 165. (Автору належить ідея роботи, постановка задачі, спільна розробка методу розрахунку, обговорення результатів).
Русанова О.А., Семко А.Н. Моделирование нестационарной кавитации // Вісник Донецького університету, Серія А. Природничі науки. - 2003. - Вип. 1. - С. 148 - 156. (Автору належить ідея роботи, постановка задачі, спільна розробка методу розрахунку, обговорення результатів).
Г. А. Атанов, Э. С. Гескин, А. Н. Семко. Силы, действующие при выстреле гидропушки. // Вісник Донецького університету, Серія А. Природничі науки. - 2004. - №1. - С. 237 - 242. ()
Г. А. Атанов, Э. С. Гескин, А.Н. Ковалев, А. Н. Семко. Пороховая гидропушка широкого спектра действия // Прикладная гидромеханика. - 2004. - Т. 6 (78). № 3. - С. 3 -9. (Автору належить спільна постановка задачі, розробка методу розрахунку, обговорення результатів).
Атанов Г. А, Русанова О. А, Семко А.Н. Расчет нестационарных течений жидкости с кавитацией // Прикладная гидромеханика. - 2004. - Том 6 (78). - № 4. - C. 9 - 16. (Автору належить ідея роботи, постановка задачі, спільна розробка методу розрахунку, обговорення результатів).
Семко А. Н. Механика гидропушки с поршневым приводом для идеальной несжимаемой жидкости // Вісник Донецького університету, Серія А. Природничі науки. - 2005. - № 1. - С. 149 - 157.
Семко А.Н. Об истечении недорасширенной струи воды // Изв. АН СССР, Механика жидкости и газа. - 1982. - № 2. - С. 155-157.
Атанов Г.А., Семко А.Н., Украинский Ю.Д. Исследование внутренней баллистики гидропушки // Изв. АН СССР, Механика жидкости и газа. - 1983. - № 4. - С. 168-170. (Автору належить розробка методу розрахунку, проведення розрахунків, порівняння з експериментом, обговорення результатів).
Атанов Г.А., Губский В.И., Семко А.Н. Внутренняя баллистика пороховой гидропушки // Изв. РАН, Механика жидкости и газа.- 1997. -№ 6.- С. 191-194. (Автору належить спільна постановка задачі, розробка методу розрахунку, обговорення результатів).
Атанов Г.А., Семко А.Н. Расчет импульсной струи пороховой гидропушки подводой // Известия РАН, Механика жидкости и газа. - 2002. - №2. - С. 31 - 38. (Автору належить спільна постановка задачі, розробка методу розрахунку, проведення розрахунків, обговорення результатів).
Семко А. Н. Внутренняя баллистика импульсного водомета с пороховым приводом // Прикладная механика и техническая физика. - 2000. - Т. 41, № 3. - С. 118 - 124.
Семко А. Н. О влиянии сжимаемости жидкости на параметры гидропушки // Инженерно-физический журнал. - 2001. - Т. 74. № 1. - С. 1 - 5.
Ищенко Ж.Н., Поздеев В.А., Семко А.Н., Скрипниченко А.Л., Чуприн А.Н. Расчет гидродинамических давлений внутри цилиндрической оболочки при действии импульсного источника // Известия АН БССР, серия физикотехнических наук. - 1985. - № 1. - С. 11-17. (Автору належить спільна постановка задачі, розробка методу розрахунку, обговорення результатів).
O. Petrenko, E.S. Geskin, G.A. Atanov, A. Semko, B. Goldenberg. Numerical Modeling of High-Speed Water Slugs // Transaction of the ASME. Journal of Fluids Engineering. - 2004. - Vol. 126. No 2. - P. 206 - 209. (Автору належить спільна постановка задачі, спільна розробка методу розрахунку, обговорення результатів).
Атанов Г.А., Семко А.Н. О соотношении между динамическим давлением ультраструи и статическим давлением в установке // Аэрогазодинамика нестационарных процессов. - Томск: ТГУ, 1987. - С. 9-13. (Автору належить спільна постановка задачі, розробка методу розрахунку, проведення розрахунків, обговорення результатів).
Малюшевский П.П., Семко А.Н., Чуприн А.Н. Фокусировка волн сжатия в камере эллипсоидальной формы // Электрофизические и гидродинамические процессы электрического разряда в конденсированных средах. - Киев: Наукова думка, 1987.- С. 91-97. (Автору належить спільна постановка задач та розробка методу розрахунку, обговорення результатів).
А.с. 981610 СССР, МКИ3 Е 21 С 45/00. Гидропушка / Атанов Г.А., Ефремов Ю.Н., Резник Л.А., Семко А.Н. - № 3244510/29-03. Заявлено 03.02.81 // Открытия. Изобретения. - 1982. № 46. - С.163. (Автору належить розробка методу розрахунку, проведення розрахунків, обговорення результатів).
Публікації у наукових фахових виданнях з фізико-математичних наук
Семко А.Н. Расширение цилиндрического поршня в замкнутом объеме жидкости // Теоретическая и прикладная механика.- Киев-Донецк: Наукова думка, 1984. - Вып. 15. - C. 138-141.
Семко А.Н. Гидродинамика подводного электрического разряда на оси оболочки, погруженной в жидкость // Теоретическая и прикладная механика. - Харьков: Основа, 1995.- Вып. 25.- С. 120 - 126.
Семко А.Н. Механика пороховой гидропресс пушки // Теоретическая и прикладная механика. - Харьков: Основа, 1996.- Вып. 26.- С. 124 - 128.
Семко А. Н. Динамика сферической полости при разных условиях // Теоретическая и прикладная механика. - Харьков: Основа, 1998. - Вып. 28. - С. 146 - 151.
Семко А. Н. О влиянии границ на динамику сферической полости в жидкости // Теоретическая и прикладная механика. - Харьков: Основа, 1999. - Вып. 29. - С. 175 - 180.
Атанов Г. А., Семко А. Н. Импульсная струя жидкости подводой // Теоретическая и прикладная механика. - Харьков: Основа. 1999. - Вып. 29. - С. 169 - 174. (Автору належить спільна постановка задачі, розробка методу розрахунку, розрахунки та обговорення результатів).
Семко А. Н. Пульсирующий пороховой импульсный водомет // Теоретическая и прикладная механика. - Харьков: Основа, 2000. - Вып. 31. - С. 161 - 167.
Семко А. Н., Ганцевич Л. А. Деформация пластин в гидроимпульсной пресс-пушке // Теоретическая и прикладная механика. - Харьков: Основа, 2001. - Вып. 32. - С. 170 - 176. (Автору належить постановка задачі, спільна розробка методу розрахунку та обговорення результатів).
Семко А.Н. Внутренняя баллистика порохового водомета и гидропушки // Теоретическая и прикладная механика. - Харьков: Основа, - 2002. - Вып. 35. - С. 181 - 185.
Публікації в інших наукових виданнях
Semko A.N. Non-stationary cavitation of a liquid in pulse processes // Proc. of International Summer Scientific School “High Speed Hydrodynamics” (HSH 2002, June 16 - 23, 2002).- Cheboksary, Russian/ Washington, USA: Cheboksary, Russian, 2002. Р. 377 - 381.
Atanov G.A., Semko A.N. The powder hydrocannon // Proc. of International Summer Scientific School “High Speed Hydrodynamics” (HSH 2002, June 16 - 23, 2002).- Cheboksary, Russian/ Washington, USA: Cheboksary, Russian, 2002. - Р. 419 - 424. (Автору належить спільна постановка задачі, розробка методів розрахунку, обговорення результатів).
Petrenko O.P., Geskin E.S., Semko A.N. Mechanics of powder hydrocannon for incompressible fluid // Proc. of 2005 WJTA American Waterjet Conference (2005 WJTA, August 21-23, 2005). - Houston, Texas, 2005. - P. 1 - 14. (Автору належить ідея роботи та постановка задачі, розробка методу розрахунку, спільні розрахунки, обговорення результатів).
Поздеев В.А., Семко А.Н., Чуприн А.Н Импульсные гидродинамические поля при электрическом разряде в замкнутых объемах жидкости / Николаев, 1990. - 37 с. (Препр. / АН Украины. ПКБЭ; № 15). (Автору належить спільна постановка задачі, розробка методу розрахунку, спільні розрахунки, обговорення результатів).
Семко А.Н. Исследование течений при электрическом разряде в воде в замкнутых объемах. - Фонд Алгоритмов и Программ АН УССР, инв. № АП0247 от 1.05.89. ГФАП, № 50890001191.