avroenОмский научный вестник. Серия "Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение"Omsk Scientific Bulletin. Series Aviation-Rocket and Power Engineering2588-03732587-764XОмский государственный технический университет10.25206/2588-0373-2024-8-3-90-97ZEDCYYavroen-66Research ArticleАВИАЦИОННАЯ И РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКАAVIATION AND ROCKET-SPACE ENGINEERINGАнализ влияния выбора модели турбулентности на параметры взаимодействия сверхзвуковой струи с преградойThe analysis of the influence of the turbulence model selection on the parameters of interaction of a supersonic jet with an obstacleПешков,Р. А.PeshkovR. A.

Пешков Руслан Александрович, кандидат технических наук, доцент (Россия),  заведующий  научной  лабораторией  «Ракеты-носители,  космические и беспилотные летательные аппараты», доцент кафедры «Летательные аппараты», старший научный сотрудник НИЛ проблем физико-химии и газодинамики двигательных установок многоразовых ракет-носителей 

454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 76

AuthorID (РИНЦ): 655336,

AuthorID (SCOPUS): 57212526560

Peshkov Ruslan Aleksandrovich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Head of Launch Vehicles, Space and Unmanned Aerial Vehicles Laboratory, Associate Professor of Aircrafts Department, Senior Researcher of Scientific-Research Laboratory for Physical Chemistry and Gas Dynamics Problems of Reusable Launch Vehicle

Chelyabinsk, Lenin Ave., 76, 454080

AuthorID (RSCI): 655336,

AuthorID (SCOPUS): 57212526560

peshkovra@susu.ruШметковаА. С.ShmetkovaA. S.

Шметкова Анна Сергеевна, магистрант направления «Ракетные комплексы и космонавтика» 

454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 76

AuthorID (РИНЦ): 655336,

AuthorID (SCOPUS): 57212526560

Shmetkova Anna Sergeevna, Undergraduate of Rocket Complexes and Cosmonautics field of study

Chelyabinsk, Lenin Ave., 76, 454080

AuthorID (RSCI): 1173091

peshkovra@susu.ruИсправниковаО. В.IspravnikovaО. V.

Исправникова Олеся  Владимировна, магистрант направления «Ракетные комплексы и космонавтика

454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 76

AuthorID (РИНЦ): 1174035

Ispravnikova Olesya Vladimirovna, Undergraduate of Rocket Complexes and Cosmonautics field of study

Chelyabinsk, Lenin Ave., 76, 454080

AuthorID (RSCI): 1174035

ispravnikova.2000@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0004-2976-3674СюськинаЮ. Л.SuskinaJu. L.

Сюськина Юлия Львовна, старший преподаватель кафедры «Летательные аппараты» 

454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 76

AuthorID (РИНЦ): 569365,

AuthorID (SCOPUS): 57211969633

Suskina Julia Lvovna, Senior Lecturer of Aircraft Department

Chelyabinsk, Lenin Ave., 76, 454080

AuthorID (RSCI): 569365,

AuthorID (SCOPUS): 57211969633

siuskinayl@susu.ruЮжно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)РоссияSouth Ural State University (National Research University)Russian Federation202430092024839097Copyright © Пешков, Р.А., Шметкова А.С., Исправникова О.В., Сюськина Ю.Л., 20242024Пешков, Р.А., Шметкова А.С., Исправникова О.В., Сюськина Ю.Л.Peshkov R.A., Shmetkova A.S., Ispravnikova О.V., Suskina J.L.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ariem.omgtu.ru/jour/article/view/66

В связи с интенсивным нагружением элементов стартовых сооружений при воздействии на них струй ракетных двигателей очевидна необходимость определения газодинамических, тепловых и других нагрузок, возникающих при старте ракеты-носителя. Численное моделирование с помощью прикладных программ является одним из широко используемых способов их расчёта, так как физическое моделирование требует существенных затрат ресурсов. В исследовании проанализирован случай взаимодействия одиночной сверхзвуковой струи газа с плоской преградой, ориентированной перпендикулярно направлению струи. Приведены дифференциальные уравнения, описывающие движение сжимаемого вязкого теплопроводного газа (уравнения Навье–Стокса), и описан метод осреднения их по Рейнольдсу. Рассмотрены некоторые однои двухпараметрические модели турбулентности, основанные на уравнениях Рейнольдса. Проведено численное моделирование процесса натекания сверхзвуковой струи воздуха из сопла Лаваля на плоскую алюминиевую преграду, расположенную перпендикулярно оси струи. Для анализа влияния выбора модели турбулентности на распределение числа Маха и давление на преграде был использован программный пакет ANSYS Fluent. Сравнение результатов исследования с экспериментальными данными показало, что наиболее точные результаты получены при использовании модели турбулентности k-ω SST.

Due to the intense loading of the elements of launch structures when exposed to rocket engine jets, it is obvious that it is necessary to determine the gas-dynamic, thermal and other loads that occur during the launch of the launch vehicle. Numerical modeling using application programs is one of the widely used methods of their calculation, since physical modeling requires significant resources. The study analyzes the case of interaction of a single supersonic gas jet with a flat barrier oriented perpendicular to the direction of the jet. Differential equations describing the motion of a compressible viscous heatconducting gas (Navier-Stokes equations) are presented, and a method for averaging them by Reynolds is described. Some oneand two-parameter turbulence models based on Reynolds equations are considered. A numerical simulation of the flow of a supersonic jet of air from a Laval nozzle onto a flat aluminum barrier located perpendicular to the axis of the jet is carried out. The ANSYS Fluent software package is used to analyze the effect of choosing a turbulence model on the distribution of the Mach number and pressure on the barrier. A comparison of the results of the study with experimental data showed that the most accurate results are obtained using the k-ω SST turbulence model.

сверхзвуковая струягазовая динамикаракетные комплексыдифференциальные уравнениятурбулентное течениеANSYS Fluentsupersonic jetgas dynamicsjet-barrier interactionturbulence modelsturbulent flowANSYS FluentReferencesСинильщиков Б. Е., Синильщиков В. Б. Исследование термосилового нагружения газоотражателей стартовых комплексов ракет космического назначения при работе систем водоподачи // Исследования наукограда. 2017. Т. 1, № 2. С. 61–71. EDN: ZHEMSD.Sinil’shchikov B. E., Sinil’shchikov V. B. Issledovaniye termosilovogo nagruzheniya gazootrazhateley startovykh kompleksov raket kosmicheskogo naznacheniya pri rabote sistem vodopodachi [Investigation of force and thermal loading of jet deflectors of launch complexes of space rockets during the work of water supply systems] // Issledovaniya naukograda. Issledovaniya Naukograda. 2017. Vol. 1, no. 2. P. 61–71. EDN: ZHEMSD. (In Russ.).Дулов В. Г., Лукьянов Г. А. Газодинамика процессов истечения: моногр. Новосибирск: Наука, 1984. 236 с.Dulov V. G., Luk’yanov G. A. Gazodinamika protsessov istecheniya [Gasdynamics of outflow processes]. Novosibirsk, 1984. 236 p. (In Russ.).Родионов А. В. Разработка методов и программ для численного моделирования неравновесных сверхзвуковых течений в приложении к аэрокосмическим и астрофизическим задачам: дис. ... канд. физ.-мат. наук. Саров, 2019. 299 с.Rodionov A. V. Razrabotka metodov i programm dlya chislennogo modelirovaniya neravnovesnykh sverkhzvukovykh techeniy v prilozhenii k aerokosmicheskim i astrofizicheskim zadacham [Development of methods and programs for numerical simulation of nonequilibrium supersonic flows in applications to aerospace and astrophysical problems]. Sarov, 2019. 299 p. (In Russ.).Продан Н. В. Нестационарное взаимодействие сверхзвуковых струй между собой или с преградой: дис. ... канд. физ.- мат. наук. Санкт-Петербург, 2016. 141 с.Prodan N. V. Nestatsionarnoye vzaimodeystviye sverkhzvukovykh struy mezhdu soboy ili s pregradoy [Unsteady interaction of supersonic jets with each other or with an obstacle]. Saint Petersburg, 2016. 141 p. (In Russ.).Соломатин Р. С., Семёнов И. В., Меньшов И. С. К расчёту турбулентных течений на основе модели Спаларта–Аллмараса с применением LU-SGS–GMRES алгоритма // Препринты ИПМ им. М. В. Келдыша. 2018. № 119. 30 с. DOI: 10.20948/prepr-2018-119. EDN: USDDEO.Solomatin R. S., Semenov I. V., Men’shov I. S. K raschetu turbulentnykh techeniy na osnove modeli Spalarta-Allmarasa s primeneniyem LU-SGS–GMRES algoritma [Towards calculating turbulent flows with the Spalart-Allmaras model by using the LUSGS-GMRES algorithm] // Preprinty IPM im. M. V. Keldysha. Keldysh Institute PREPRINTS. 2018. No. 119. 30 p. DOI: 10.20948/prepr-2018-119. EDN: USDDEO. (In Russ.).Dacles-Mariani J., Zilliac G. G., Chow J. S., Bradshaw P. Numerical/Experimental Study of a Wingtip Vortex in the Near Field // AIAA Journal. 1995. Vol. 33, № 9. P. 1561–1568.Dacles-Mariani J., Zilliac G. G., Chow J. S., Bradshaw P. Numerical/Experimental Study of a Wingtip Vortex in the Near Field // AIAA Journal. 1995. Vol. 33, no. 9. P. 1561–1568. (In Engl.).Bardina J. E., Huang P. G., Coackley T. J. Turbulence Modeling Validation, Testing, and Development // NASA Technical Memorandum. 1997. URL: https://www.researchgate.net/publication/24296213_Turbulence_Modeling_Validation_Testing_and_Development (дата обращения: 20.09.2023).Bardina J. E., Huang P. G., Coackley T. J. Turbulence Modeling Validation, Testing, and Development // NASA Technical Memorandum. 1997. URL: https://www.researchgate.net/publication/24296213_Turbulence_Modeling_Validation_Testing_and_Development (accessed: 20.09.2023). (In Engl.).Fleunt Inc. Fluent 6.3 User’s Guide. Lebanon: Fluent Inc., 2006. 2501 p.Fleunt Inc. Fluent 6.3 User’s Guide. Lebanon: Fluent Inc., 2006. 2501 p. (In Engl.).Wicox D. C. Formulation of the k-ω Turbulence Model Revisited // AIAA Journal. 2008. Vol. 46, № 11. P. 2823–2838. DOI: 10.2514/1.36541.Wicox D. C. Formulation of the k-ω Turbulence Model Revisited // AIAA Journal. 2008. Vol. 46, no. 11. P. 2823–2838. DOI: 10.2514/1.36541. (In Engl.).Блог COMSOL об инженерных разработках и науке. URL: https://www.comsol.ru/blogs (дата обращения: 12.10.2022).Blog COMSOL ob inzhenernykh razrabotkakh i nauke [COMSOL Engineering and Science Blog]. URL: https://www. comsol.ru/blogs (accessed: 12.10.2022). (In Russ.).Leschziner M. A. Modelling turbulent separated flow in the context of aerodynamic applications // Fluid Dynamics Research. 2006. № 38. P. 174–210. DOI: 10.1016/j.fluiddyn.2004.11.004.Leschziner M. A. Modelling turbulent separated flow in the context of aerodynamic applications // Fluid Dynamics Research. 2006. No. 38. P. 174–210. DOI: 10.1016/j.fluiddyn.2004.11.004. (In Engl.).SST K-Omega Turbulence Models // Autodesk. URL: https://knowledge.autodesk.com/ru/support/cfd/learn-explore/caas/CloudHelp/cloudhelp/2019/RUS/SimCFD-Learning/files/GUID-0F5C4828-9F91-46B6-A16A-2578D72DCFCC-htm.html (дата обращения: 12.10.2022).SST K-Omega Turbulence Models // Autodesk. URL: https://knowledge.autodesk.com/ru/support/cfd/learn-explore/caas/CloudHelp/cloudhelp/2019/RUS/SimCFD-Learning/files/GUID-0F5C4828-9F91-46B6-A16A-2578D72DCFCC-htm.html (accessed: 12.10.2022). (In Engl.).Интегратор технологий ANSYS в России и странах СНГ: ANSYSFLUENT. URL:https://cae-expert.ru/product/ansysfluent (дата обращения: 12.10.2022).Integrator tekhnologiy ANSYS v Rossii i stranakh SNG: ANSYSFLUENT. [ANSYS technology integrator in Russia and CIS countries: ANSYS FLUENT]. URL: https://cae-expert.ru/product/ansys-fluent (accessed: 12.10.2022). (In Russ.).Кудимов Н. Ф., Сафронов А. В., Третьякова О. Н. Результаты экспериментальных исследований взаимодействия многоблочных сверхзвуковых турбулентных струй с преградой // Труды МАИ. 2013. № 69. С. 1–11. EDN: RKNFOZ.Kudimov N. F., Safronov A. V., Tret’yakova O. N. Rezul’taty eksperimental’nykh issledovaniy vzaimodeystviya mnogoblochnykh sverkhzvukovykh turbulentnykh struy s pregradoy [Experimental study on multiple turbulent supersonic impinging jets] // TrudyMAI. Trudy MAI. 2013. No. 69. P. 1–11. EDN: RKNFOZ. (In Russ.).Глазунов А. А., Кагенов А. М., Костюшин К. В. [и др.]. Математическое моделирование взаимодействия одиночной сверхзвуковой струи с преградами // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. 2020. № 63. С. 87–101. DOI: 10.17223/19988621/63/8. EDN: XUSEAS.Glazunov A. A., Kagenov A. M., Kostyushin K. V. [et al.]. Matematicheskoye modelirovaniye vzaimodeystviya odinochnoy sverkhzvukovoy strui s pregradami [Mathematical modeling of the interaction of a single supersonic jet with obstacles] // Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo universiteta. Matematika i mekhanika. Tomsk State University Journal of Mathematics and Mechanics. 2020. No. 63. P. 87–101. DOI: 10.17223/19988621/63/8. EDN: XUSEAS. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.