Исследование физических особенностей течения в плоском сверхзвуковом воздухозаборном устройстве

Авиационная и ракетно-космическая техника


DOI: 10.34759/vst-2023-2-35-45

Авторы

Рахманин Д. А.*, Карпов Е. В.**, Рахманина В. Е.

Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского (ЦАГИ), ул. Жуковского, 1, Жуковский, Московская область, 140180, Россия

*e-mail: d.rakhmanin@gmail.com
**e-mail: e-karpov@list.ru

Аннотация

Проведено численное моделирование обтекания плоского изолированного сверхзвукового воздухозаборного устройства (ВЗУ) потоком вязкого газа с использованием SST k—ω модели турбулентности. Геометрия и результаты экспериментальных исследований рассматриваемого ВЗУ взяты из работы [1]. Проведено сравнение положений скачков уплотнения в канале ВЗУ, полученных в расчете и в эксперименте. Также исследовано влияние дросселирования на поле течения в канале ВЗУ, а именно показана зависимость распределения статического давления по стенкам ВЗУ от величины противодавления, задаваемого на выходе из канала.

Продемонстрирована разница между двумерным и трехмерным моделированием плоского ВЗУ. В трехмерном случае у стенки образуется угловой вихрь, который в близких к стенке сечениях существенно изменяет поле течения по сравнению с течением в плоскости симметрии ВЗУ.

Выявлено влияние углового вихря на распределение поперечного статического давления по нижней стенке канала ВЗУ. Установлено, что полученные в расчете значения распределения статического давления по стенкам канала ВЗУ на всех исследуемых режимах с достаточно высокой степенью точности совпадают с экспериментальными данными.


Ключевые слова:

модель турбулентности, плоское воздухозаборное устройство, дросселирование ВЗУ, трехмерный отрыв, λ–образный скачок уплотнения, сверхзвуковое течение

Библиографический список

  1. Herrmann C.D., Koschel W.W. Experimental investigation of the internal compression of a hypersonic intake // 38th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit (7-10 July 2002; Indianapolis, Indiana). Paper 2002-4130.
  2. ANSYS FLUENT 12.0 Theory Guide. URL: https://www.afs.enea.it/project/neptunius/docs/fluent/html/th/main_pre.htm
  3. Ansys Fluent Fluid Simulation Software. URL: https://www.ansys.com/products/fluids/ansys-fluent
  4. Spalart P.R. Trends in Turbulence Treatments // Fluids 2000 Conference and Exhibit (19-22 June 2000; Denver, CO, USA). Paper AIAA-2000-2306. DOI: 10.2514/6.2000-2306
  5. Виноградов В.А., Мельников Я.А., Степанов В.А. Исследование характеристик плоского и пространственного входных устройств сверхзвукового пассажирского самолета // Ученые Записки ЦАГИ. 2015. Т. XLVI. № 2. С. 26–40.
  6. Choudhury D. Introduction to the Renormalisation Group Method and Turbulence Modeling. Fluent Inc, Technical Memorandum TM-107, 1993.
  7. Shih T.H., Liou W.W., Shabbir A., Yang Z., Zhu, J. A new k-ε eddy viscosity model for high Reynolds number turbulent flows // Computers & Fluids. 1995. Vol. 24. No. 3, pp. 227-238. DOI: 10.1016/0045-7930(94)00032-T
  8. Wilcox D.C. Multiscale model for turbulent flows // AIAA Journal. 1988. Vol. 26. No. 11, pp. 1311-1320. DOI: 10.2514/3.10042
  9. Wilcox D.C. Turbulence Modeling For CFD. — 3rd edition. — DCW Industries. Inc., La Canada. California. USA. 1998. — 522 p.
  10. Menter F.R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications // AIAA Journal. 1994. Vol. 32. No. 8, pp 1598-1605.
  11. Menter F.R. Review of the shear-stress transport turbulence model experience from an industrial perspective // International Journal of Computational Fluid Dynamics. 2009. Vol. 23. No. 4, pp. 305-316. DOI: 10.1080/10618560902773387
  12. Новогородцев Е.В., Карпов Е.В., Колток Н.Г. Повышение характеристик пространственных нерегулируемых воздухозаборников внешнего сжатия на основе использования систем управления пограничным слоем // Вестник Московского авиационного института. 2021. Т. 28. № 4. С. 7–27. DOI: 10.34759/vst-2021-4-7-27
  13. Щербаков М.А., Юн А.А., Крылов Б.А. Сравнительный анализ моделей турбулентности с использованием научного кода «Fastest-SD» и коммерческого пакета ANSYS СFХ // Вестник Московского авиационного института. 2009. Т. 16. № 5. С. 116–122.
  14. Милешин В.И., Семенкин В.Г. Расчетное исследование влияния числа рейнольдса на характеристики первой типовой ступени компрессора высокого давления // Вестник Московского авиационного института. 2018. Т. 25. № 2. С. 86–98.
  15. Любимов Д.А. Потехина И.В. Применение RANS/ILES-метода высокого разрешения для исследования нестационарных режимов работы сверхзвукового воздухозаборника // Модели и методы аэродинамики: Сборник тезисов докладов XIV Международной школы-семинара (04–13 июня 2014; Евпатория). — М.: МЦНМО, 2014. C. 102–103.
  16. Гарбарук А.В., Стрелец М.Х., Шур М.Л. Моделирование турбулентности в расчетах сложных течений: Учебное пособие. — СПб: Изд-во Политехн. ун-та, 2012. — 88 с.
  17. Forsythe J.R., Squires K., Wurtzler K., Spalart P. Detached eddy simulation of fighter aircraft at high alpha // 40th AIAA Aerospace Sciences Meeting & Exhibit (14-17 January 2002; Reno, NV, USA). DOI: 10.2514/6.2002-591
  18. Strelets M. Detached eddy simulation of massively separated flows // 39th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit (08-11 January 2001; Reno, NV, USA). DOI: 10.2514/6.2001-879
  19. Menter F.R. Stress-blended eddy simulation (SBES) — A new paradigm in hybrid RANS—LES modeling // In: Hoarau Y., Peng SH., Schwamborn D., Revell A. (eds) Progress in Hybrid RANS-LES Modelling (HRLM 2016). Springer, Cham. Vol 137, pp. 27-37. DOI:10.1007/978-3-319-70031-1_3
  20. Oberkampf W.L., Trucano T.G. Verification and validation in computational fluid dynamics // Progress in Aerospace Sciences. 2002. Vol. 38. No. 3, pp. 209-272. DOI: 10.1016/S0376-0421(02)00005-2
  21. Roache P.J. Quantification of uncertainty in computational fluid dynamics // Annual Review of Fluid Mechanics. 1997. Vol. 29, pp. 123-160. DOI: 10.1146/annurev.fluid.29.1.123
  22. Roe P.L. Approximate Riemann solvers, parameter vectors, and difference schemes // Journal of Computational Physics. 1981. Vol. 43. No. 2, pp. 357-322. DOI: 10.1016/0021-9991(81)90128-5
  23. Spalart P.R., Allmaras S.R. A one-equation turbulence model for aerodynamic flows // 30th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit (06-09 January 1992; Reno, NV, USA). DOI: 10.2514/6.1992-439
  24. Launder B.E., Shima N. Second-Moment Closure for the Near-Wall Sublayer: Development and Application // AIAA Journal. 1989. Vol. 27. No. 10, pp. 1319-1325. DOI: 10.2514/3.10267.
  25. Korkegi R.H. A simple correlation for incipient turbulent boundary layer separation due to a skewed shock wave // AIAA Journal. 1973. Vol. 22. No. 11, pp. 1578-1579.
  26. Желтоводов А.А. Физические особенности и некоторые свойства двумерных и трехмерных отрывных течений при сверхзвуковых скоростях // Известия РАН. Механика жидкости и газа. 1979. № 3. С. 42–50.
  27. Гурылев В.Г., Трифонов А.К. Псевдоскачок в простейшем воздухозаборнике в виде цилиндрической трубы // Ученые записки ЦАГИ. 1976. Т. VII. № 1. С. 130–138.
  28. Гурылев В.Г., Трифонов А.К. Переход сверхзвукового течения в дозвуковое в трубе с расширяющимся начальным участком // Ученые записки ЦАГИ. 1980. Т. ХI. № 4. С. 81–89.
  29. Гунько Ю.П., Мажуль И.И. Численное моделирование условий реализации режимов течения в сверхзвуковых конических воздухозаборниках внутреннего сжатия // Теплофизика и аэромеханика. 2015. Т. 22. № 5. С. 567–580.

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 1994-2024