Анализ влияния выбора модели турбулентности на параметры взаимодействия сверхзвуковой струи с преградой

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.

1. Синильщиков 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.

2. Дулов В. Г., Лукьянов Г. А. Газодинамика процессов истечения: моногр. Новосибирск: Наука, 1984. 236 с.

3. 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.

4. Продан Н. В. Нестационарное взаимодействие сверхзвуковых струй между собой или с преградой: дис. ... канд. физ.- мат. наук. Санкт-Петербург, 2016. 141 с.

5. 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.

6. 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.

7. 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).

8. Fleunt Inc. Fluent 6.3 User’s Guide. Lebanon: Fluent Inc., 2006. 2501 p.

9. 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.

10. Блог COMSOL об инженерных разработках и науке. URL: https://www.comsol.ru/blogs (дата обращения: 12.10.2022).

11. 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.

12. 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).

13. Интегратор технологий ANSYS в России и странах СНГ: ANSYSFLUENT. URL:https://cae-expert.ru/product/ansysfluent (дата обращения: 12.10.2022).

14. 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.

15. 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.