Диссертация (786472), страница 17
Текст из файла (страница 17)
4.27).При запуске течения формируется косая ударная волна от носика верхней части (рис.4.27. а) На носике нижней части также видна ударная волна, падающая на тупой угол.Затем под воздействием градиентов давления возникает отрыв пограничного слоя отнаклонной части воздухозаборника (рис. 4.27 б). При обтекании отрывной области,служащей дополнительным препятствием для сверхзвукового потока, возникает косаяударная волна, взаимодействующая с ударной волной, идущей от носика.
С течениемвремени (рис. 4.27 в) протяженность отрыва растет, и ударная волна сдвигается ближе115к кромке верхней части воздухозаборника. При дальнейшем развитии теченияобласть отрыва будет занимать большую часть течения, и составлять существенноепрепятствиедлясверхзвуковогопотока,приведеткзапираниюданноговоздухозаборника.а)б)в)Рис. 4.27. Сравнение шлирен-фотографии течения вблизи воздухозаборника изэксперимента [127] и поля модуля градиента плотности расчета с использованием k-ε-µtмодели (1.23) в три различных момента времени (500, 600, 1500 мкс).Такимобразом,проведенноечисленноемоделированиетеченийввоздухозаборниках продемонстрировало, что релаксационные модели (k-ε-µt (1.23) иk-ω-µt [137]) турбулентности могут быть успешно применены для сложных116конфигураций течения, включающих взаимодействия ударных волн с пограничнымислоями.Выводы по главе 4.1.
Рассмотрена задача моделирования взаимодействия ударных волн спограничным слоем в случаях сверхзвукового и гиперзвукового обтеканиясжимающегоугла.Показано,чтосиспользованиемрассмотренныхдвухпараметрических и трехпараметрических моделей можно получить приемлемоесоответствие между экспериментальными и расчетными значениями длины отрывнойзоны и значения восстановленного статического давления. Получено, что средирассмотренных моделей наиболее удачными для моделирования указанного теченияявляются высокорейнольдсовые модели: двухпараметрическая k-ε модель Chen [90] смоделью сжимаемой диссипации Sarkar [149] и трехпараметрическая k-ε-μt модель безучетасжимаемойдиссипации.Показано,чтоприпроведениичисленногомоделирования гиперзвукового течения с использованием высокорейнольдсовыхмоделей требуется дополнительная адаптация сетки к значению безразмерногорасстояния до стенки в пристеночной ячейке.2.
Рассмотрена задача моделирования сверхзвукового и гиперзвуковоготеченияввоздухозаборнике.Показано,чтосиспользованиемвыбранныхтрехпараметрических моделей можно получить приемлемое соответствие для ударноволновойкартинысверхзвуковоготечениявканале(воздухозаборника)истатического давления между экспериментальными и расчетными значениями.Положениеипротяженностьотрывнойобластипроведенногочисленногомоделирования соответствует эксперименту.1175. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТУРБУЛЕНТНОГО ТЕЧЕНИЯ ВПРЯМОУГОЛЬНОЙ КАВЕРНЕ ПРИ ОБТЕКАНИИ ВНЕШНИМПОТОКОМ.Целью данного раздела работы является проведение численного исследованияавтоколебательных режимов течения в прямоугольнойкаверне и способовуправления параметрами течения в полостях путем изменения геометрии привозможном использовании различных устройств, воздействующих на режим течения[50].Математическаямодельичисленныйалгоритмдолжныпозволятьвоспроизводить основные характеристики нестационарного течения, возникающего вполости при взаимодействии потока окружающей среды с внутренним пространствомполости.
Выполняются расчеты нестационарного турбулентного течениявдвухмерной (2D) (по большей части) и трехмерной (3D) постановках.В настоящее время опубликовано значительное количество данных потеоретическому[3,179,119],экспериментальному[58,136,11,5]ичисленному[131,119,150,23,4,70] изучению течения в прямоугольных кавернах, например [84,83]и выемках в осесиммеричных телах [81,24,25]. Однако до сих пор остаются непроясненными некоторые проблемы, а именно: явление смены резонансных частот,топология трехмерного вихревого движения в каверне, не изучены способыуправления течением в каверне [126,71].5.1.Моделирование течения в прямоугольной кавернеДанное тестирование представляет собой численный расчет обтекания до,трансзвуковым потоком газа прямоугольной открытой мелкой каверны 1<L/D<8, гдеL- длина каверны, D – глубина каверны и сопоставление численных результатов сполуаналитической теорией Росситера.
Рассматриваемая задача имеет интерес, как сточки зрения фундаментальной науки, так и приобрела новый интерес в прикладнойнауке - аэроакустике. Явления, возникающие при течении вязкого газа внутрипрямоугольной каверны помещенной в поток воздуха, находятся в фокусе научныхисследований в настоящее время благодаря важности технологий малозаметности иаэродинамической эффективности для летательных аппаратов пятого поколения какпилотируемых, так и беспилотных. Эти аппараты проектируются таким образом, что118полезный груз располагается не на внешних подвесках как раньше, а во внутреннихполостях аппарата внутри корпуса закрытых створками люков во время пассивнойфазы полета. Когда полезная нагрузка сбрасывается, створки люков открываются ивнешний поток воздуха, обтекающий аппарат, взаимодействует с открытой полостью,чтослужитпричинойвозникновениянекоторыхнежелательныхэффектов(автоколебательные режимы изменения давления и наличие резонансных частот свысокой интенсивностью) приводящих к усталостным разрушениям конструкции.Похожая ситуация возникает при функционировании астрономических телескопов идругих оптических устройств, размещаемых на борту крупных самолетов [150].Рис.
5.1. Схема газодинамического течения в тестовой задаче.Газодинамические течения в рассматриваемыхпрямоугольных кавернах(полостях) разделяются на два основных типа в зависимости от отношения (L/D)длины каверны L к глубине D. “Открытые” течения (рис.5.2) которые реализуютсядля каверн с L/D<7-9 и для которых характерны сильные осцилляции давлениявнутри полости, вибрации, высокий уровень шума (170 Дб) и тепловых потоков[131,146,119,168].Рис. 5.2. Открытое дозвуковое течение в каверне.119Рис. 5.3.
Закрытое дозвуковое течение.“Закрытые” течения (рис.5.3), реализующиеся для каверн с L/D>10-14 можнорассматривать как квазистационарные, при этом распределение давления вдоль“пола” каверны характеризуется большим продольным градиентом. Обтеканиекаверны с геометрическими параметрами в диапазоне8<L/D<11 описывается как“переходное” течение и представляет собой комбинацию свойств “открытого” и“закрытого” типов течений(рис.5.4, 5.5).С точки зрения режима течениянабегающего потока течения в каверне делятся на дозвуковые M∞ <1 исверхзвуковые M∞ >1 .
С точки зрения геометрии области, каверны можно разделитьна глубокие L/D<1 и мелкие L/D>1, трехмерные L/W>1 и двухмерные L/W<1 , гдеW - ширина каверны (рис. 5.1).Рис. 5.4. Переходное открытое сверхзвуковое течение.Рис. 5.5. Переходное закрытое сверхзвуковое течение.С учетом того, что по исследованию открытых течений в мелких кавернах:1201)в настоящее время публикуется большое количество численных работ(подходы с использованием осредненных по Рейнольдсу/Фавру уравнений НавьеСтокса (RANS), моделирования крупных вихрей (LES) и комбинированного подхода(DES) ) и экспериментальных работ (дренирование стенок + датчики давлении, сажомаслянная визуализация, цифровая трассерная визуализация [84,110] (PIV - ParticleImage Velocimetry));2)существует широко используемая полуэмпирическая теория (Росситер [147]) ,было принято решение в качестве тестового варианта рассматривать вариант“открытого” дозвукового течения в мелкой каверне.В рассматриваемом диапазоне отношений длины каверны к глубине L/D<7автоколебательный режим течения в каверне формируется за счет обратной связимежду вихревой дорожкой, образующейся на передней кромке каверны, иакустическим полем, генерируемым в точке задней кромки.
Впервые механизм этоговзаимодействия описал Росситер в [147], где был рассмотрен контур обратной связи,посредством которого акустические волны формируются на задней по потоку стенкекаверны (точка B рис. 1.6) из-за взаимодействия с этой стенкой вихревой дорожки,сходящей с передней стенки (точка B рис. 5.6), при этом происходит синхронизацияпроцессов происходящих вблизи точек передней и задней кромки. В результате в[147] получена полуэмпирическая формула, используемая для предсказания частотыданной моды колебаний для данной геометрии каверны.Модифицированная для больших скоростей звука в каверне формулаРосситера:f гдеa–эмпирическийU(m ),L M [1 ( 1) / 2M 2 ]1 / 2 1/ Kкоэффициент,характеризующий(5.1)сдвигфазмеждунеустойчивостью в сдвиговом слое и распространяющимися против течения волнамидавления, 0.062 L , K – эмпирическая постоянная, определяемая сдвиговым слоем иDскоростью свободного течения, M - число Маха набегающего потока, m – номермоды.
Для тонких пограничных слоев K=0.57.121Рис. 5.6. Схема возникновения резонансных частот Росситера в открытой мелкойкаверне.В первом тестовом варианте проведены численные исследования течениявоздухас M=0.85 в каверне из работы [84], которая имеет размеры L=0.16 м,D=0.032м, и ширину W=0.08 м, L/D=5, L/W=2. Экспериментальная установка в [84]состоит из аэродинамической трубы соединенной через диффузор с камеройвысокого давления и другим концом с атмосферой.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
