Управление формированием околозвуковой области в осесимметричном сверхзвуковом потоке с помощью струи и пристеночного подвода энергии


Авторы

Замураев В. П.*, Калинина А. П.*

Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук, ул. Институтская, 4/1, Новосибирск, 630090, Россия

*e-mail: zamuraev@itam.nsc.ru

Аннотация

Изучается управляющее воздействие одновременно струи и пристеночных источников энергии на ударно-волновую структуру сверхзвукового течения в осесимметричном и плоском канале с целью создания околозвуковой области. Получены устойчивые режимы с протяженной околозвуковой областью для двух способов создания пристеночных источников энергии. В первом случае подвод энергии осуществлялся с помощью мгновенного импульсно-периодического подвода тепловой энергии. Численное моделирование выполнялось на основе двумерных нестационарных уравнений Эйлера. Устойчивость околозвукового режима подтверждается шириной коридора средней подводимой мощности для области существования режима. Исследована зависимость средней мощности пульсирующих источников, необходимой для реализации околозвуковой области, от частоты их пульсации. В качестве второго способа создания пристеночных источников рассматривается пристеночное горение водорода, втекающего через щель в стенке плоского канала. Выполнено численное CFD-моделирование на основе двумерных усредненных по Рейнольдсу уравнений Навье—Стокса, замыкаемых SST k-w моделью турбулентности. Горение моделировалось с помощью упрощенной химической кинетики с одной реакцией. Выявлена роль ударной волны и отрывных областей, формирующихся вблизи струй водорода и воздуха, в процессе воспламенения и горения. Оценена толщина зоны горения относительно поперечного размера канала. Проведено качественное сравнение с известными расчетами в подобных системах. Выполнено сравнение газодинамической картины течения со структурой потока для случая мгновенных пристеночных импульсно-периодических тепловых источников. Показано подобие структур течения в обоих случаях. В результате показана возможность торможения потока в канале с числом Маха М = 2 до околозвуковых скоростей, что является благоприятной предпосылкой для реализации горения в расширяющейся части канала.

Ключевые слова

сверхзвуковое течение, осесимметричный канал, пристеночные источники энергии, струя, уравнения Эйлера и Навье–Стокса

Библиографический список

  1. Гурылева Н. В., Иванькин М. А., Лапинский Д. А., Тимошенко В. И. Исследование особенностей течений в каналах при взаимодействии возмущений с псевдоскачком // Уч. записки ЦАГИ. 2012. Т. XLIII. № 6. С. 40–54.

  2. Фролов С. М., Дубровский А. В., Иванов В. С. Трехмерное численное моделирование рабочего процесса в камере сгорания с непрерывной детонацией // Хим. физика. 2012. Т. 31. № 3. С. 32–45.

  3. Zhao Z., Li J.-M., Zheng J., Cui Y.D., Khoo B.C. Study of shock and induced flow dynamics by nanosecond dielectric-barrier-discharge plasma actuators // AIAA J. 2015. V. 53. N 5. P. 1336–1348.

  4. Firsov A., Savelkin K. V. , Yarantsev D. A. , Leonov S. B. Plasma-enhanced mixing and flameholding in supersonic flow // Philosophical Transactions: Mathematical, Physical and Engineering Sciences (Series A). 2015. V. 373. N 2048. P. 20140337.

  5. Ombrello T., Carter C., McCall J., et al. Enhanced mixing in supersonic flow using a pulse detonator // Journal of Propulsion and Power. 2015. V. 31. Iss. 2. P. 654–663.

  6. Firsov A. A. , Shurupov M. A. , Yarantsev D. A. , Leonov S. B. Plasma-assisted combustion in supersonic airflow: optimization of electrical discharge geometry // Paper AIAA-2014-0988.

  7. Фролов С. М. , Звегинцев В. И. , Иванов В. С. , Аксенов В. С., Шамшин И. О. , Внучков Д. А. , Наливайченко Д. Г. , Берлин А. А. , Фомин В. М. Макет-демонстратор непрерывно-детонационного прямоточного воздушно-реактивного двигателя. Результаты испытаний в аэродинамической трубе // Доклады Академии наук. 2017. Т. 474. № 1. С. 51–55.

  8. Bezgin L. V., Kopchenov V. I., Starik A. M., et al. Numerical analysis of combustion of a hydrogen-air mixture in an advanced ramjet combustor model during activation of O2 molecules by resonant laser radiation // Combustion Explosion and Shock Waves . V. 53. Iss. 3. P. 249–261.

  9. Третьяков П. К., Забайкин В. А., Прохоров А. Н. Высокоскоростной ПВРД с пульсирующим режимом запуска. XI Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теор. и прикл. мех. Казань: Изд.-во Казанского ун-та, 2015. С. 3778–3780.

  10. Abashev V. M., Kuranov A. L., Tretyakov P. K. Increase in the efficiency of a high-speed ramjet on hydrocarbon fuel at the flying vehicle acceleration up to M = 6+ // AIP Conference Proceedings 1893, 020005 (2017); https://doi.org/10.1063/1.5007443.

  11. Забайкин В. А., Крайнев В. Л., Третьяков П. К. Управление режимами горения в сверхзвуковом воздушном потоке импульсно-периодическим энерговоздействием // Актуальные проблемы российской космонавтики: Труды XXXVII Академических чтений по космонавтике (Москва, 29 янв.—1 фев., 2013 г.) / Под общей ред. А.К. Медведевой. М., 2013. С. 205.

  12. Забайкин В. А., Третьяков П. К. О возможности снижения потерь полного давления в тракте ГПВРД // Современные проблемы аэрогидродинамики: Тезисы докладов XVII школы-семинара, посвящ. памяти акад. Г. Г. Черного и 55-летию со дня основания НИИ механики МГУ (Сочи, «Буревестник» МГУ, 20–30 авг. 2014 г.). М.: Изд -во Моск. ун — та, 2014. С. 60–61.

  13. Гудич И. Г., Жуков В. Т., Мануковский К. В., Новикова Н. Д., Рыков Ю. Г., Феодоритова О. Б. Численное моделирование высокоскоростной камеры сгорания с использованием пакета OpenFOAM // Препринт ИПМ им. М.В.Келдыша. 2016. № 10. 32 с. DOI:10.20948/prepr-2016-10 URL: http://library.keldysh.ru/preprint.asp?id=2016-10.

  14. Селезнев Р. К. , Суржиков С. Т. Нестационарные газодинамические процессы в прямоугольном канале ГПВРД с периодическим вдувом холодного воздуха // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2015. Т. 16. № 3. С. 1–6. http://chemphys.edu.ru/issues/2015-16-3/articles/495/

  15. Seleznev R. K. Comparison of two-dimensional and quasi-one-dimensional scramjet models by the example of VAG experiment // Journal of Physics: Conference Series. 2017. V. 815. N 1. P. 012007.

  16. Жуков В.Т., Власенко В.В., Гудич И.Г., Мануковский К.В., Новикова Н.Д. , Рыков Ю.Г., Феодоритова О.Б. Численное моделирование многокомпонентных течений в высокоскоростной камере сгорания // Проблемы химмотологии: от эксперимента к математическим моделям высокого уровня. Сборник избранных докладов VI Международной научно-технической конференции. 2016. С. 57–64.

  17. Cocks P.A.T., Dawes W.N., Cant R.S. The influence of turbulence-chemistry interaction modelling for supersonic combustion // AIAA 2011-0306. 2011. 12 p.

  18. Фирсов А.А., Яранцев Д.А., Леонов С.Б., Иванов В.В. Численное моделирование горения этилена в сверхзвуковом потоке воздуха // Компьютерные исследования и моделирование. 2017. Т. 9. № 1. С. 75–86.

  19. Замураев В. П., Калинина А. П. О возможности создания устойчивой околозвуковой области в сверхзвуковом потоке в канале // Тепловые процессы в технике. 2016. Т. 8. № 7. С. 292–296.

  20. Zamuraev V. P., Kalinina A. P. Effect of surface energy pulses on supersonic flow in a channel of variable cross section // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2016. V. 89. N. 3. P. 688–694. DOI: 10.1007/s10891-016-1427-3.



Скачать статью

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2018-2024