Мгновенная и осредненная структура недорасширенной сверхзвуковой струи

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Численно и экспериментально изучается мгновенная и осредненная структура недорасширенной сверхзвуковой струи. Экспериментальные фотографии с различной выдержкой и измерения давления Пито сравниваются с результатами численного моделирования, выполненного с помощью неявного метода крупных вихрей. Отмечается, что неустойчивость струйного течения, рост возмущений и переход к турбулентности приводят к тому, что мгновенная структура течения может существенно отличаться от его осредненной структуры. Картина течения, наблюдающаяся в расчетах, хорошо согласуется с представленной на экспериментальных фотографиях с короткой выдержкой. Как расчетные, так и экспериментальные данные свидетельствуют, что важную роль в динамике струйного течения играют крупномасштабные вихревые структуры, существующие на фоне мелкомасштабной турбулентности. Расчетные и экспериментальные распределения давления Пито близки друг к другу вплоть до определенного расстояния от среза сопла. Ниже по потоку давление Пито и в расчете, и в эксперименте начинает быстро расти, но расчет предсказывает начало роста на большем расстоянии от сопла, чем это наблюдается в эксперименте.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

В. И. Запрягаев

Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: zapr@itam.nsc.ru
Россия, Новосибирск

И. Н. Кавун

Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН

Email: zapr@itam.nsc.ru
Россия, Новосибирск

Н. П. Киселев

Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН

Email: zapr@itam.nsc.ru
Россия, Новосибирск

А. Н. Кудрявцев

Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН

Email: alex@itam.nsc.ru
Россия, Новосибирск

А. А. Пивоваров

Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН

Email: zapr@itam.nsc.ru
Россия, Новосибирск

Д. В. Хотяновский

Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН

Email: khotyanovsky@itam.nsc.ru
Россия, Новосибирск

Список литературы

  1. Абрамович Г.Н., Гиршович Т.А., Крашенинников С.Ю. и др. Теория турбулентных струй. М.: Наука, 1984. 716 с.
  2. Дулов В.Г., Лукьянов Г.А. Газодинамика процессов истечения. Новосибирск: Наука, 1984. 320 с.
  3. Авдуевский В.С., Ашратов Э.А., Иванов А.В., Пирумов У.Г. Газодинамика сверхзвуковых неизобарических струй. М.: Машиностроение, 1989. 231с.
  4. Zapryagaev V.I., Kudryavtsev A.N., Lokotko A.V., Solotchin A.V., Pavlov A.A., Hadjadj A. An experimental and numerical study of a supersonic–jet shock–wave structure // West–East High Speed Flow Fields. Aerospace applications from high subsonic to hypersonic regime / Ed. by Zeitoun D.E., Périaux J., Désidéri J.A., Marini M. Barcelona. CIMNE, 2003. P. 346–351.
  5. Трошин А.И., Запрягаев В.И., Киселев Н.П. Расчетно-экспериментальное исследование сверхзвуковой слабонедорасширенной струи // Труды ЦАГИ. 2013. Вып. 2710. С. 111–120.
  6. Troshin A.I. Application and modification of a Reynolds stress model in problems of jets outflow // Proceedings of 17th Int. Conf. on the Methods of Aerophysical Research (ICMAR-2014, Russia, Novosibirsk, 30 Jun. 6 Jul., 2014) / Ed. by V.M. Fomin. Novosibirsk: ITAM SB RAS, 2014. Paper № 206. 8 p.
  7. Трошин А.И. Полуэмпирическая модель турбулентности для описания высокоскоростных слоев смешения и струй, не основанная на гипотезе Буссинеска: Дисс. … канд. физ.-мат. наук. Жуковский: ЦАГИ, 2014. 168 c.
  8. Гарбарук А.В., Стрелец М.Х., Травин А.К., Шур М.Л. Современные подходы к моделированию турбулентности. СПб: Изд-во Политехн. ун-та, 2016. 234 с.
  9. Shur M.L., Spalart P.R., Strelets M.Kh. Noise prediction for underexpanded jets in static and flight conditions // AIAA J. 2011. V. 49. № 9. P. 2000–2017.
  10. Любимов Д.А. Разработка и применение метода высокого разрешения для расчета струйных течений методом моделирования крупных вихрей // ТВТ. 2012. Т. 50. №3. С. 450–466.
  11. Duben A.P., Kozubskaya T.K. Evaluation of quasi-one-dimensional unstructured method for jet noise prediction // AIAA J. 2019. V. 57.№ 12. P. 5142–5155.
  12. Босняков С.М., Волков А.В., Дубень А.П. и др. Сравнение двух вихреразрешающих методик повышенной точности на неструктурированных сетках применительно к моделированию струйного течения из двухконтурного сопла // Матем. моделирование. 2019. Т. 31. №10. С. 130–144.
  13. Запрягаев В.И., Киселев Н.П., Пивоваров А.А. Газодинамическая структура осесимметричной сверхзвуковой недорасширенной струи. // Известия АН. Механика жидкости и газа. 2015. № 1. С. 95–107.
  14. Волков К.Н., Запрягаев В.И., Емельянов В.Н., Губанов Д.А., Кавун И.Н., Киселев Н.П., Тетерина И.В., Яковчук М.С. Визуализация данных физического и математического моделирования в газовой динамике / под ред. Волкова К.Н., Емельянова В.Н. М: Физматлит, 2018. 360 c.
  15. Zapryagaev V., Kavun I., Kiselev N. Flow feature in supersonic non-isobaric jet near the nozzle edge // Aerospace. 2022.V. 9. № 7. P. 379–393.
  16. Yule A.J. Large-scale structure in the mixing layer of a round jet // J. Fluid Mech. 1978. V. 89. Pt. 3. P. 413–432.
  17. Wicker R.B., Eaton J.K. Near field of a coaxial jet with and without axial excitation // AIAA J. 1994. V. 32. №3. P. 542–546.
  18. Липатов И.И., Тугазаков Р.Я. Механизм образования берстинга при обтекании узкой пластины сверхзвуковым потоком газа // ПМТФ. 2022. Т. 63. № 2. С.37–47.
  19. Implicit Large Eddy Simulation / Ed. by Grinstein F.F., Margolin L.G., Rider W.J. Cambridge et al.: Cambridge Univ. Press, 2007. 546 p.
  20. Shershnev A.A., Kudryavtsev A.N., Kashkovsky A.V., Khotyanovsky D.V. HyCFS, a high-resolution shock-capturing code for numerical simulation on hybrid computational clusters // AIP Conf. Proc. 2016. V. 1770. 030076. 11 p.
  21. Jiang G.S., Shu C.-W. Efficient implementation of weighted ENO schemes // J. Comput. Phys. 1996. V. 126. P. 202–228.
  22. Кудрявцев А.Н., Поплавская Т.В., Хотяновский Д.В. Применение схем высокого порядка точности при моделировании нестационарных сверхзвуковых течений // Математическое моделирование. 2007. Т. 19. №7. С. 39–55.
  23. Hadjadj A., Kudryavtsev A. Computation and flow visualization in high-speed aerodynamics // J. Turbulence. 2005. V. 6. №16. 25 p.
  24. Курант Р., Фридрихс К. Сверхзвуковое течение и ударные волны. М.: Изд-во иностр. литер. 1950. 427 с.
  25. Рылов А.И. К вопросу о невозможности регулярного отражения стационарной ударной волны от оси симметрии // Прикл. мат. и механ. 1990. Т. 54. №2. С. 245–249.
  26. Мельников Д.А. Отражение скачков уплотнения от оси симметрии // Изв. АН СССР. Механ. и машиностр. 1962. №3. С. 24–30.
  27. Khotyanovsky D.V., Kudryavtsev A.N., Ovsyannikov A.Yu. A comparative study of accuracy of shock capturing schemes for simulation of shock/acoustic wave interactions // Int. J. Aeroacoustics. 2014. V. 13. № 3 — 4. P. 261–274.
  28. Chuvakhov P.V. Shock-capturing anomaly in the interaction of unsteady disturbances with a stationary shock // AIAA J. 2021. V. 59. № 8. P. 3241–3251.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Шлирен-фотография истечения сверхзвуковой струи из осесимметричного конвергентного сопла диаметром 30 мм при Npr = 5 с экспозицией 10 мс (а) и 3 мкс (б).

Скачать (159KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Фотографии структуры течения, полученные методом лазерного ножа с экспозицией 10 нс в два различных момента времени (а, б) в диаметральной плоскости сверхзвуковой струи, истекающей из осесимметричного конвергентного сопла диаметром 60 мм при Npr = 5.

Скачать (323KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Истечение сверхзвуковой струи из осесимметричного конвергентного сопла диаметром 30 мм при Npr = 9: шлирен-фотография с большой выдержкой (а) и фотография, полученная методом лазерного ножа (б).

Скачать (292KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Численная шлирен-визуализация в плоскости y = 0 недорасширенной струи, Npr = 5, истекающей из круглого сопла: полная мгновенная картина течения (а), мгновенная картина вблизи сопла (б), среднее течение вблизи сопла (в).

Скачать (366KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Распределения давления Пито, отнесенного к давлению в форкамере, вдоль оси струи в эксперименте (символы) и в расчете (сплошная кривая) при Npr = 5.

Скачать (68KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Профили давления Пито в эксперименте (квадратные символы) и в расчете (сплошные кривые) при Npr = 5 в сечениях x / D = 0.833 (a), 1,5 (б) и 3.5 (в).

Скачать (104KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024