Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
Данная работа посвящена исследованию воздействия импульсно-периодических источников тепла на течение, образующееся при взаимодействии сверхзвукового потока воздуха с поперечной вторичной струей, инжектируемой с плоской поверхности. В англоязычной литературе такая конфигурация течения обозначается как JISC (jet interaction with supersonic crossflow) [1].
В настоящее время динамично развивается направление исследований, связанных с активными стратегиями интенсификации смешения газов в сверхзвуковом потоке, в том числе в конфигурации JISC [2, 3]. Эти исследования представляют интерес для развития технологий, повышающих эффективность сгорания топлива в камерах сгорания со сверхзвуковым потоком на входе [2].
Одна из перспективных активных стратегий интенсификации смешения в JISC состоит в размещении источников импульсного локального нагрева в области взаимодействия поперечной струи со сверхзвуковым потоком. В качестве таких источников нагрева рассматриваются электрические разряды [4] или лазерное излучение [5]. В работе [4] с помощью численного моделирования был исследован импульсный нагрев газа в области около стенки с подветренной стороны от инжектора вторичной струи. Было показано, что импульсно-периодический нагрев приводит к ускорению смешения газов. Однако результаты этой работы позволяют предполагать, что месторасположение источника тепла с подветренной стороны от инжектора является не самым оптимальным.
Цель данной работы состояла в получении информации о локальных характеристиках течения в конфигурации JISC при отсутствии и наличии источника импульсного локального нагрева на стенке возле отверстия струи.
Указанная информация была получена с помощью компьютерных расчетов в программном комплексе FlowVision 3.12. Физические параметры расчетов были выбраны таким образом, чтобы рассматриваемые физические явления можно было воспроизвести в натурном эксперименте на оборудовании, доступном в ОИВТ РАН.
На первом этапе работы была разработана геометрическая конфигурация стенда для воспроизведения течения JISC в аэродинамической трубе ИАДТ-50 в ОИВТ РАН. Сверхзвуковое обтекание пробных геометрических моделей стенда в условиях, соответствующих ИАДТ-50 (число Маха M=2, температура газа Tg=167 К, давление P=22 кПа), было рассчитано с помощью метода URANS (unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes simulation) с использованием модели турбулентности KEFV [6]. Были получены пространственные распределения скорости и плотности воздуха. На основании результатов расчетов был отобран ряд геометрических конфигураций стенда, обеспечивающих наибольшую однородность потока воздуха над поверхностью, с которой должна осуществляться инжекция вторичной струи.
На втором этапе работы была построена компьютерная модель JISC. Был использован метод URANS с моделью турбулентности KEFV. Параметры сверхзвукового потока (Tg=183 К, P=28,4 кПа, M=1,8) были заданы с учетом результатов ранее проведенного моделирования сверхзвукового обтекания стенда. В качестве газа вторичной струи использовался CO2. Поперечная струя в модели инжектировалась в сверхзвуковой поток через круглое отверстие диаметром d=3 мм на плоской поверхности, при этом полная температура струи составляла T0=270 К, а массовый расход Qm=4 г/с. Таким образом, отношение удельных импульсов поперечной струи и потока J составляло:
Были рассчитаны и визуализированы поля следующих величин в области около инжектора: давление, плотность, мольная доля углекислого газа. Качественная структура рассчитанного течения соответствовала данным из литературных источников, посвященных JISC [2].
На третьем этапе работы в компьютерную модель JISC был добавлен импульсно-периодический источник тепла, расположенный на поверхности стенки с наветренной стороны от отверстия струи. Длительность импульсов тепловыделения составляла 1 мкс, а период повторения импульсов 30 мкс. В каждом импульсе вкладываемая энергия составляла 10 мДж.
Было проведено сравнение локальных характеристик течения в двух рассчитанных случаях: JISC при отсутствии и наличии импульсно-периодического источника тепла. Критериями сравнения были: глубина проникновения струи в поперечный поток газа, распределение турбулентной энергии и эффективность смешения. Полученные результаты позволяют утверждать, что рассмотренный в данной работе способ воздействия на течение приводит к увеличению интенсивности смешения газов в конфигурации JISC.
Требуется дополнительное параметрическое исследование для нахождения оптимальных режимов возбуждения струи в сверхзвуковом потоке, обеспечивающих наибольшую эффективность смешения газов. Результаты численного моделирования будут использованы при подготовке натурного эксперимента по возбуждению струи в конфигурации JISC периодическими искровыми разрядами на плоской поверхности.
