Численное моделирование смены типа взаимодействия скачков уплотнения во входном сечении воздухозаборника летательного аппарата

Язык труда и переводы:
УДК:
533.697.2
Дата публикации:
31 декабря 2021, 19:26
Категория:
Секция 07. Развитие космонавтики и фундаментальные проблемы газодинамики, горения и теплообмена
Авторы
Савелова Карина Эдуардовна
БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова
Алексеева Мария Михайловна
БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова
Аннотация:
Исследована смена типа взаимодействия, а также отражения скачков уплотнения во входном сечении канала воздухозаборника высокоскоростного летательного аппарата. Численно определено влияние скорости выдува (как нормального, так и под углом наклона) на газодинамические характеристики течения без влияния энергоподвода и при его наличии. Выявлено, что структуры скачков уплотнения быстро изменяются при небольшой величине вдува или выдува. Наличие энергоподвода влияет на вид возникающих ударно-волновых систем ещё сильнее.
Ключевые слова:
ударные волны, выдув, маховское отражение скачков уплотнения, численное моделирование, газодинамические характеристики
Основной текст труда

Совершая полеты на разных высотах и больших сверхзвуковых скоростях полёта неизбежно изменение взаимодействия скачков уплотнения в канале воздухозаборника летательного аппарата. На входных клиньях генерируются скачки уплотнения, которые в свою очередь взаимодействуют друг с другом и стенками канала воздухозаборника. Изменения в конфигурации течения могут привести к нестабильному перемешиванию и горению топливно-воздушной смеси, вследствие чего летательный аппарат может потерпеть крушение. Поэтому необходимо поддерживать нужный тип взаимодействия скачков уплотнения на протяжении всей траектории полёта.

Пр регулировании ударно-волновых структур можно использовать разные способы регулирования конфигураций скачков уплотнения. Например, вдув и выдув струи в сверхзвуковой поток [1, 2], энергоподвод к главному скачку [3]. Энергоподводом может являться повышение температуры вследствие инициации горения топлива [4]. Такие методы также представляют интерес при проектировании систем смешения топлива и окислителя в прямоточных воздушно-реактивных двигателях.

В работе предлагается использовать выдув струй газа в набегающий поток с внутренних частей входных клиньев сверхзвукового воздухозаборника.

Для предварительного определения газодинамических параметров течения используется CAE-система ANSYS Fluent. В первом приближении задача заключается в стационарном обтекании упрощенных клиньев воздухозаборника в плоской постановке. На внутренних частях клиньев располагаются входные границы в расчетную область, имитирующие выходные каналы для выдува струй потока газа.

Взаимодействие выдува струй с поверхности клиньев и набегающего потока является сложной и многопараметрической задачей, поскольку выдув струи реализуется в области скачка уплотнения, который генерируется самим клином. Формируется сложная ударно-волновая структура вихревой картины потока, в которой необходимо учесть и влияние пограничного слоя, разворот выдуваемого потока и ряд других факторов.

При обтекании сверхзвукового воздухозаборника могут возникнуть такие структуры как: регулярное отражение скачков уплотнения, маховское отражение и отражение с отошедшим скачком уплотнения [5].

В результате расчетов на одной рассматриваемой крейсерской высоте полета наблюдается смена типа взаимодействия скачков уплотнения с увеличением скорости выдува. При выдуве по нормали к поверхности смена взаимодействия происходит много раньше и такой принцип выдува более эффективный, нежели при угле выдува в 20°.

При использовании энергоподвода следует обраться к аналитическому решению параметров ударно-волновых структур. Как правило, для описания нужных нам структур используется решение на плоскости ударных поляр. Это решение показывает, что энерговыделение за маховским скачком приводит к увеличению области существования стационарных маховских конфигураций, которые при наличии энерговыделения и физико-химических эффектов образуются при всех числах Маха сверхзвукового течения в широком диапазоне параметров падающего и главного скачков. Такая возможность энерговыделения за главным скачком способствует существованию маховского отражения относительно слабых падающих скачков, которые при отсутствии различных физико-химических эффектов отражаются только регулярно.

Способ регулирования конфигураций ударно-волновых структур с помощью вдува и выдува газа может реализовываться без применения химических реакций на первом этапе расчётов. Он показывает, что конфигурации скачков быстро изменяются при небольшом влиянии как вдува, так и выдува.  Энергоподвод также демонстрирует еще большую склонность к изменению ударно-волновых систем. Следовательно, система регулирования сложных сверхзвуковых структур должна быть тщательно рассчитана на этапе проектирования летательных аппаратов, проведено множество газодинамических расчётов и экспериментов.

Грант
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (НИР «Создание опережающего научно-технического задела в области разработки передовых технологий малых газотурбинных, ракетных и комбинированных двигателей сверхлегких ракет-носителей, малых космических аппаратов и беспилотных воздушных судов, обеспечивающих приоритетные позиции российских компаний на формируемых глобальных рынках будущего», FZWF-2020-0015).
Литература
  1. Hassan E., Boles J., Hikaru A., et al. Supersonic jet and crossflow interaction: computational modeling // Progr Aerospace Sci. 2013. Vol. 57, no. 1. Pp. 1–24.
  2. Волков К.Н., Емельянов В.Н., Яковчук М.С. Численное моделирование взаимодействия поперечной струи со сверхзвуковым потоком с использованием различных моделей турбулентности // Прикладная механика и техническая физика. 2015. Т. 56, № 5. C. 64–75.
  3. Chernyshov M.V., Kapralova A.S., Matveev S.A., Savelova K.E. Stationary Mach Configurations with Pulsed Energy Release on the Normal Shock // Fluids. 2021. Vol. 6, iss. 12, no. 439. 16 p.
  4. Усков В.Н., Чернышов М.В. Особые и экстремальные тройные конфигурации скачков уплотнения // Прикладная механика и техническая физика. 2006. Т. 47, № 4. С. 39–53.
  5. Chernyshov M.V., Kapralova A.S., Savelova K.E. Ambiguity of solution for triple configurations of stationary shocks with negative reflection angle // Acta Astronautica. 2021. Vol. 179. Pp. 382–390.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.