533.6.011.5 Определение газодинамических параметров сверхзвуковой горячей струи в ходе процедуры валидации вычислительной схемы с использованием RANS подхода
Харченко Н. А. (НИЯУ МИФИ/ФГБУ ВО "Московский авиационный институт"/Центральный аэрогидродинамический институт им. проф. Н.Е. Жуковского (ЦАГИ),), Носенко Н. А. (МГТУ им.Н.Э.Баумана)
СВЕРХЗВУКОВОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, ТУРБУЛЕНТНЫЕ ТЕЧЕНИЯ, ПОПРАВКА НА СЖИМАЕМОСТЬ, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ АЭРОГАЗОДИНАМИКА, НЕСТРУКТУРИРОВАННЫЕ СЕТКИ
doi: 10.18698/2309-3684-2025-2-102129
В данной работе представлена валидационная задача численного определения газодинамических параметров при сверхзвуковом истечении турбулентной горячей струи в затопленное пространство. В основе используемой вычислительной схемы лежит модифицированная в части определения члена генерации турбулентности двухпараметрическая модель Ментера, дополненная поправкой на сжимаемость Саркара с корректировкой на малые значения турбулентного числа Маха. Проводится сравнение газодинамических параметров течения вдоль оси струи с экспериментальными данными Сейнера и результатами численного моделирования других авторов. Модель турбулентности k-ω SST с модифицированной поправкой на сжимаемость Саркара демонстрирует лучшее согласие с результатами экспериментальных данных, чем модели турбулентности со стандартным вариантом данной поправки.
[1] Mundt C., Lieser J. Performance improvement of propulsion systems by optimization of the mixing efficiency and pressure loss of forced mixers. In: The 8th European propulsion forum «Affordability and the Environment-Key Challenges for Propulsion in the 21thCentury», Nottingham, UK, 26–28 March 2001.
[2] Koch L.D., Bridges J. Flow field comparisons from three Navier-Stokes solvers for an axisymmetric separate flow jet. 40th Aerospace Science Meeting and Exhibit, AIAA, 2002, art. 2002-0672.
[3] Engblom W.A., Khavaran A., Bridges J. Numerical prediction of chevron nozzle noise reduction using WIND-MGBK methodology. 10th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference, AIAA, 2001, art. 2001-2979.
[4] Thomas R.H., Kinzie K.W. and Pao S.P. Computational analysis of a pylon-chevron core nozzle interaction. 7th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference, AIAA, 2002, art. 2002-2185.
[5] Seiner J.M., Ponton M.K., Jansen B.J., Lagen T.N. The effects of temperature on supersonic jet noise emission. 14th Aeroacoustics Conference, AIAA, art. 92-02-046.
[6] Dembowski M.A., Georgiadis N.J. An evaluation of parameters influencing jet mixing using the WIND Navier-Stokes code. Report/Patent Number: NASA/TM-2002-211727, 2002.
[7] Axisymmetric Hot Supersonic Jet Validation Case (2024). Режим доступа: https://turbmodels.larc.nasa.gov/jetsupersonichot_val_sa.html. Дата обращения: 23 November 2024.
[8] Глушко Г.С., Иванов И.Э., Крюков И.А. Моделирование турбулентности в сверхзвуковых струйных течениях. Физико-химическая кинетика в газовой динамике, 2010, т. 9, № 1, с. 164-171.
[9] Sarkar S., Erlebacher G., Hussaini M.Y., Kreiss H.O. Analysis and modelling of dilatational terms in compressible turbulence. Journal of Fluid Mechanics, 1991, vol. 227, no. 1, pp. 473-493.
[10] Dash S.M., Kenzakowski D.C. A compressible-dissipation extension of the k-epsilon turbulence model and building-block data for its validation. AIAA and SDIO, Annual Interceptor Technology Conference, Huntsville, AL, 1992, 28 p.
[11] Suzen Y., Hoffmann K. Investigation of supersonic jet exhaust flow by one-and two-equation turbulence models. 36th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno, NV, U.S.A., 1998. DOI: https://doi.org/10.2514/6.1998-322.
[12] Engblom W., Georgiadis N., Khavaran A. Investigation of variable-diffusion turbulence model correction for round jets. 11th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference, Monterey, California, 2005. DOI: https://doi.org/10.2514/6.2005-3085.
[13] Thies A.T., Tam C. K.W. Computation of turbulent axisymmetric and nonaxisymmetric jet flows using the K-epsilon model. AIAA Journal, 1996, vol. 34, no. 2, pp. 309-316.
[14] Tam C. K. W., Ganesan A. Modified kappa-epsilon turbulence model for calculating hot jet mean flows and noise. AIAA Journal, 2004, vol. 42, 1, pp. 26-34.
[15] Abdol-Hamid K. S. et al. Temperature corrected turbulence model for high temperature jet flow. Journal of Fluids Engineering, 2004, vol. 126, no. 5, pp. 844-850.
[16] Jones W.P., Launder B.E. The prediction of laminarization with a two-equation model of turbulence. International journal of heat and mass transfer, 1972, vol. 15, no. 2, pp. 301-314.
[17] Saegeler S., Lieser J., Mundt C. Improved modelling of vortical mixing for the simulation of efficient propulsion systems. 28th International Congress of the Aeronautical Sciences, 2012, vol. 3, art. 2466.
[18] Menter F.R., Kuntz M., Langtry R.B. Ten years of industrial experience with the SST turbulence model. Turbulence. Heat and Mass Transfer, 2003, vol. 4, no. 1, pp. 625-632.
[19] Truemner J., Mundt C. Advanced Modelling of Turbulent Heat-Flux in Turbofan Engines with Lobed Mixers. 46th AIAA Fluid Dynamics Conference, 2016. DOI: https://doi.org/10.2514/6.2016-4389.
[20] Truemner J., Mundt C. Total temperature-based correction of the turbulence production in hot jets. American Society of Mechanical Engineers, 2017. DOI: 10.1115/GT2017-63084.
[21] Truemner J., Mundt C. Numerical methods for heated and unheated supersonic jets. 53rd 3AF International Conference on Applied Aerodynamics, 2018.
[22] Alam M., Naser J., Brooks G. CFD simulation of supersonic oxygen jet behaviour inside a high temperature field. 7th International Conference on CFD in the Minerals and Process Industries, 2009. DOI: 10.13140/2.1.4694.7520.
[23] Alam M., Naser J., Brooks G. Computational fluid dynamics simulation of supersonic oxygen jet behavior at steelmaking temperature. Metallurgical and Materials Transactions B, 2010, vol. 41, pp. 636-645.
[24] Харченко Н.А. Численное моделирование аэротермодинамики высокоскоростных летательных аппаратов. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук: 01.02.05. Москва, МФТИ, 2021, 112 с.
[25] Харченко Н.А., Носенко Н.А. Численное моделирование обтекания высокоскоростным потоком цилиндрически–конического тела и двойного конуса. Математическое моделирование и численные методы, 2022, № 3, c. 33-46.
[26] Харченко Н.А., Никонов А.М. Носенко Н.А. Численное решение задачи турбулентного обтекания высокоскоростным потоком цилиндрически-конического тела. XXXIII научно-техническая конференция по аэродинамике, ЦАГИ, 2022, c. 101-102.
[27] Лунев В.В. Течение реальных газов с большими скоростями. Москва, Физматлит, 2007, 759 с.
[28] Tang H., Gao Z. Investigation of turbulence models with compressibility corrections for hypersonic boundary flows. Advances in Mechanical Engineering, 2015, vol. 7, no. 12, p. 23.
[29] Родионов А.В. Разработка методов и программ для численного моделирования неравновесных сверхзвуковых течений в приложении к аэрокосмическим и астрофизическим задачам. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук: 05.13.18. Саратов, Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН, 2019, 299 c.
[30] Димитриенко Ю.И., Коряков М.Н., Захаров А.А. Применение метода RKDG для численного решения трехмерных уравнений газовой динамики на неструктурированных сетках. Математическое моделирование и численные методы, 2015, № 4, c. 75–91.
[31] Димитриенко Ю.И., Коряков М.Н., Юрин Ю.В., Захаров А.А., Сборщиков С.В., Богданов И.О. Сопряженное моделирование высокоскоростной аэротермодинамики и внутреннего тепломассопереноса в композитных аэрокосмических конструкциях. Математическое моделирование и численные методы, 2021, № 3, с. 42 – 61.
[32] Liou M.-S. A sequal to AUSM: AUSM+. Journal of Computational Physics, 1996, vol. 129, issue 2, pp. 364 – 382
[33] Годунов С.К. Разностный метод численного расчета разрывных решений уравнений гидродинамики. Математический сборник, 1959, т. 47, № 3, c. 271 – 306.
[34] Kitamura K. Advancement of Shock Capturing Computational Fluid Dynamics Methods: Numerical Flux Functions in Finite Volume Method. Springer, 2020, 142 p.
[35] Chen SS, Cai FJ, Xue HC, Wang N., Yan C. An improved AUSM-family scheme with robustness and accuracy for all Mach number flows. Appllied Mathematical Modelling, 2020, vol. 77, no. 2, pp. 1065 – 1081.
[36] Крюков И.А., Иванов И.Э., Ларина Е.В. Программный комплекс расчета высокоскоростных течений hySol. Физико-химическая кинетика в газовой динамике, 2021, т. 22, № 1, 28 с.
[37] Michalak K., Ollivier-Gooch C. Limiters for unstructured higher-order accurate solutions of the Euler equations. 46th AIAA Aerospace Sciences Meeting, 2008, 14 p. DOI: https://doi.org/10.2514/6.1990-13.
[38] Carlson J.R. Inflow/outflow boundary conditions with application to FUN3D. Report/Patent Number: NASA/TM-2011-217181, 2011.
[39] Кацкова О.Н. Опыт расчета плоских и осесимметричных сверхзвуковых течений газа методом характеристик. Москва, ВЦ АН СССР, 1961.
[40] Быркин А.П., Верховский В.П., Сосунов А.Ю. Расчет осесимметричных профилированных сопл для чисел М ≤ 10. Ученые записки ЦАГИ, 1993, т. 24, № 2, с. 76-86.
[41] Солодкин В.К. Росляков Г.С. Расчет осесимметричных сопел на быстродействующих счетных машинах. Труды ЦАГИ, 1963, № 864.
[42] Рябинков Г.М. Экспериментальное исследование сверхзвуковых сопел. Ученые записки ЦАГИ, 1970, т. 1, № 1, с. 34-47.
[43] Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. Москва, Наука, 1974, 711 с.
[44] Wang Y., Jiang Z. Theories and methods for designing hypersonic high-enthalpy flow nozzles. Chinese Journal of Aeronautics, 2022, vol. 35, pp. 318-339.
[45] Аржанников Н.С., Садекова Г.С. Аэродинамика летательных аппаратов. Москва, Высшая школа, 1983, 359 с.
Носенко Н.А., Харченко Н.А. Определение газодинамических параметров сверхзвуковой горячей струи в ходе процедуры валидации вычислительной схемы с использованием RANS подход. Математическое моделирование и численные методы, 2025, № 2, с. 102–129.
Скачать статью
Количество скачиваний: 15