doi: 10.17586/2226-1494-2021-21-2-283-296


УДК 532.529

Численное моделирование влияния вязкости и турбулентности на сверхзвуковое обтекание углов сжатия и расширения

Волков К.Н., Ильина Е.Е., Волобуев И.А.


Читать статью полностью 
Язык статьи - русский

Ссылка для цитирования:

Волков К.Н., Ильина Е.Е., Волобуев И.А. Численное моделирование влияния вязкости и турбулентности на сверхзвуковое обтекание углов сжатия и расширения // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2021. Т. 21, № 2. С. 283–296. doi: 10.17586/2226-1494-2021-21-2-283-296



Аннотация

Предмет исследования. Сверхзвуковое и гиперзвуковое обтекание элементов летательных аппаратов сопровождается формированием сложной структуры течения, которая характеризуется наличием сильных ударных волн, волн разрежения, контактных разрывов, отрывом и присоединением потока. Для таких задач характерно взаимодействие ударных волн с вязкими пограничными слоями, которое носит достаточно сложный характер и во многом определяет эффективность летательных аппаратов. При обтекании сложных конструкций летательных аппаратов и их силовых установок в окрестности выпуклых угловых точек геометрии локально реализуются течения сжатия и расширения. Расчет косых скачков уплотнения, образующихся при обтекании угла сжатия, и простых волн расширения, формирующихся при обтекании угла расширения, входит как элемент решения многих задач на построение линий тока и поиска распределения давления на обтекаемой поверхности. Метод. На основе технологии адаптивных сеток предложена численная модель, предназначенная для исследования двумерных эффектов, возникающих при сверхзвуковом обтекании углов сжатия и расширения. Численное моделирование выполнено с применением моделей, таких как невязкая, ламинарная, турбулентная. В расчетах число Маха падающей ударной волны изменяется от 2 до 15, а угол разворота потока — от 5 до 15°. Число Рейнольдса, вычисленное по характеристикам невозмущенного потока, равно 105. Рабочий газ — воздух (показатель адиабаты — γ = 1,4). Основные результаты. Рассмотрена качественная картина течения при дифракции ударной волны на уступах различной геометрии. При взаимодействии ударной волны с углом сжатия наблюдается отрыв потока и формирование рециркуляционной области, а при взаимодействии ударной волны с углом расширения — расцентровка волны Прандтля–Майера. Проведено сравнение результатов расчетов с теоретическими данными по параметрам потока за фронтом ударной волны или веером волны разрежения. Практическая значимость. Исследования показали влияние эффектов вязкости и турбулентности на структуру течения и распределения характеристик потока при обтекании углов сжатия и расширения. Результаты моделирования могут найти применение при решении задач, связанных с проектированием воздухозаборников высокоскоростных летательных аппаратов при параметрических и оптимизационных расчетах газодинамических течений, возникающих в элементах двигательных установок сверх- и гиперзвуковых летательных аппаратов.


Ключевые слова: ударная волна, дифракция, угол сжатия, угол расширения, численное моделирование, газовая динамика

Благодарности. Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в ходе реализации проекта «Создание опережающего научно-технического задела в области разработки передовых технологий малых газотурбинных, ракетных и комбинированных двигателей сверхлегких ракет-носителей, малых космических аппаратов и беспилотных воздушных судов, обеспечивающих приоритетные позиции российских компаний на формируемых глобальных рынках будущего», № FZWF-2020-0015.

Список литературы
  1. Anderson J.D. Modern Compressible Flow: With Historical Perspective. McGraw-Hill, 1990. 671 с.
  2. Dolling D. Fifty years of shock-wave/boundary-layer interaction research: what next? // AIAA Journal. 2001. V. 39. N 8. P. 1517–1531. doi: 10.2514/2.1476
  3. Flower J.W. Configurations for high supersonic speeds derived from simple shock-waves and expansions // The Aeronautical Journal. 1963. V 67. N 629. P. 287–290. doi: 10.1017/S0368393100078597
  4. Bourdon C.J., Dutton J.C. Effects of boattailing on the turbulence structure of a compressible base flow // Journal of Spacecraft and Rockets. 2001. V. 38. N 4. P. 534–541. doi: 10.2514/2.3736
  5. Knight D., Yan H., Panaras A.G., Zheltovodov A. Advances in CFD prediction of shock wave turbulent boundary layer interactions // Progress in Aerospace Sciences. 2003. V. 39. N 2-3. P. 121–184. doi: 10.1016/S0376-0421(02)00069-6
  6. Roy C.J., Blottner F.G. Review and assessment of turbulence models for hypersonic flows // Progress in Aerospace Sciences. 2006. V. 42. N 7-8. P. 469–530. doi: 10.1016/j.paerosci.2006.12.002
  7. Ghia U., Bayyuk S., Habchi S., Roy C., Shih T., Conlisk T., Hirsch C., Powers J.M. The AIAA code verification project - test cases for CFD code verification // Proc. 48th AIAA Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition. 2010. P. 2010-0125. doi: 10.2514/6.2010-125
  8. Araya G. Turbulence model assessment in compressible flows around complex geometries with unstructured grids // Fluids. 2019. V. 4. N 2. P. 4020081. doi: 10.3390/fluids4020081
  9. Settles G.S., Fitzpatrick T.J., Bogdonoff S.M. Detailed study of attached and separated compression corner flowfields in high Reynolds number supersonic flow // AIAA Journal. 1979. V. 17. N 6. P. 579–585. doi: 10.2514/3.61180
  10. Smits A.J., Muck K.-C. Experimental study of three shock wave/turbulent boundary layer interactions // Journal of Fluid Mechanics. 1987. V. 182. P. 291–314. doi: 10.1017/S0022112087002349
  11. Kuntz D.W., Amatucci V.A., Addy A.L. Turbulent boundary-layer properties downstream of the shock-wave/boundary-layer interaction // AIAA Journal. 1987. V. 25. N 5. P. 668–675. doi: 10.2514/3.9681
  12. Evans T.T., Smits A.J. Measurements of the mean heat transfer in a shock wave-turbulent boundary layer interaction // Experimental Thermal and Fluid Science. 1996. V. 12. N 1. P. 87–97. doi: 10.1016/0894-1777(95)00078-X
  13. Nguyen T., Behr M., Reinartz U., Hohn O., Gülhan A. Numerical investigations of the effects of sidewall compression and relaminarization in 3D scramjet inlet // Proc. 17th AIAA International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference. 2011. P. 2011–2256. doi: 10.2514/6.2011-2256
  14. Чувахов П.В. Решение задачи Римана о распаде произвольного разрыва для уравнений Рейнольдса // Журнал вычислительной математики и математической физики. 2014. Т. 54. № 1. С. 126–138. doi: 10.7868/S0044466914010074
  15. Fang J., Yao Y., Zheltovodov A., Li Z., Lu L. Direct numerical simulation of supersonic turbulent flows around a tandem expansion-compression corner // Physics of Fluids. 2015. V. 27. N 12. P. 125104. doi: 10.1063/1.4936576
  16. Pasha A.A., Juhany K.A. Numerical simulation of compression corner flows at Mach number 9 // Chinese Journal of Aeronautics. 2020. V. 33. N 6. P. 1611–1624. doi: 10.1016/j.cja.2020.01.005
  17. Gai S.L., Khraibut A. Hypersonic compression corner flow with large separated regions // Journal of Fluid Mechanics. 2019. V. 877. P. 471–494. doi: 10.1017/jfm.2019.599
  18. Нейланд В.Я., Соколов Л.А., Шведченко В.В. Структура отрывного течения при обтекании угла сжатия сверхзвуковым потоком и различных значениях температурного фактора // Успехи механики сплошных сред: К 70-летию академика В.А. Левина: сборник научных трудов. Владивосток, 2009. С. 540–562.
  19. Шведченко В.В. О трехмерном вторичном отрыве при сверхзвуковом обтекании угла сжатия // Ученые записки ЦАГИ. 2010. Т. 41. № 6. С. 16–29.
  20. Doǧrusöz S., Kavsaoǧlu M.Ş., Kaynak Ü. Numerical solution of hypersonic compression corner flows // Proc. 10th AIAA/NAL-NASDA-ISAS International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference. 2001. P. 2001-1750. doi: 10.2514/6.2001-1750
  21. Edwards J.R., Choi J.-I., Boles J.A. Large-eddy/Reynolds-averaged Navier-Stokes simulation of a Mach 5 compression-corner interaction // AIAA Journal. 2008. V. 46. N 4. P. 977–991. doi: 10.2514/1.32240
  22. Gieseking D., Edwards J., Choi J. Simulation of a Mach 3 24-degree compression-ramp interaction using LES/RANS models // Proc. 47th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit. 2011. P. 2011–5541. doi: 10.2514/6.2011-5541
  23. Charwat A.F., Yakura J.K. An investigation of two-dimensional supersonic base pressure // Journal of the Aerospace Sciences. 1958. V. 25. N 2. P. 122–128. doi: 10.2514/8.7526
  24. Scherberg M.G., Smith H.E. An experimental study of supersonic flow over a rearward facing step // AIAA Journal. 1967. V. 5. N 1. P. 51–56. doi: 10.2514/3.3906
  25. Бедарев И.А., Федорова Н.Н. Структура сверхзвуковых турбулентных течений в окрестности наклонных уступов // Прикладная механика и техническая физика. 2006. Т. 47. № 6. С. 48–58.
  26. Chung K.-M., Lu F.K. Hypersonic turbulent expansion-corner flow with shock impingement // Journal of Propulsion and Power. 1995. V. 11. N 3. P. 441–447. doi: 10.2514/3.23863
  27. Arnette S., Samimy M., Elliott G. Structure of supersonic turbulent boundary layer after expansion regions // AIAA Journal. 1995. V. 33. N 3. P. 430–438. doi: 10.2514/3.60007
  28. Arnette S., Samimy M., Elliott G. The effects of expansion on the turbulence structure of compressible boundary layers // Journal of Fluid Mechanics. 1998. V. 367. P. 67–105. doi: 10.1017/S0022112098001475
  29. Tong F., Chen J., Sun D., Li X. Wall-shear stress fluctuations in a supersonic turbulent boundary layer over an expansion corner // Journal of Turbulence. 2020. V. 21. N 7. P. 355–374. doi: 10.1080/14685248.2020.1797058
  30. Schlatter P., Örlü R. Assessment of direct numerical simulation data of turbulent boundary layers // Journal of Fluid Mechanics. 2010. V. 659. P. 116–126. doi: 10.1017/S0022112010003113
  31. Sun M.-B., Hu Z., Sandham N.D. Recovery of a supersonic turbulent boundary layer after an expansion corner // Physics of Fluids. 2017. V. 29. N 7. P. 076103. doi: 10.1063/1.4995293
  32. Суров В.С. Метод Годунова для расчета многомерных течений односкоростной многокомпонентной смеси // Инженерно-физический журнал. 2016. Т. 89. № 5. С. 1237–1249.
  33. Volkov K. Multigrid and preconditioning techniques in CFD applications // CFD Techniques and Thermo-Mechanics Applications. Springer International Publishing, 2018. P. 83–149. doi: 10.1007/978-3-319-70945-1_6
  34. Struchkov A.V., Kozelkov A.S., Volkov K.N., Kurkin A.A., Zhuckov R.N., Sarazov A.V. Numerical simulation of aerodynamic problems based on adaptive mesh refinement method // Acta Astronautica. 2020. V. 172. P. 7–15. doi: 10.1016/j.actaastro.2020.03.019


Creative Commons License

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License
Информация 2001-2021 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика