cahtНаучный вестник МГТУ ГАCivil Aviation High Technologies2079-06192542-0119Moscow State Technical University of Civil Aviation (MSTU CA)caht-1000Research ArticleСтатьиЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБТЕКАНИЯ КАВЕРН И ОТСЕКОВ ВЫСОКОСКОРОСТНЫМ ПОТОКОМ ГАЗА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОЛУЭМПИРИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ТУРБУЛЕНТНОСТИNUMERICAL SIMULATION OF CAVITY FLOW AND FLOW OVER AIRCRAFT COMPARTMENT USING SEMI-EMPIRICAL TURBULENCE MODELSЛаринаЕ. В.LarinaE. V.

кандидат физико-математических наук, ассистент и научный сотрудник

PhD, Teaching Assistant and research Fellow

larinaelenav@gmail.comКрюковИ. А.KryukovI. A.

старший научный сотрудник;

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник 

Senior research Fellow;

PhD, Senior research Fellow 

kryukov@ipmnet.ruИвановИ. Э.IvanovI. E.

старший научный сотрудник;

кандидат физико-математических наук, доцент, доцент 

Senior research;

PhD, Associate Professor, Assistant Professor 

 

ivanovmai@gmail.comМосковский авиационный институт (национальный исследовательский университет)РоссияMoscow Aviation Institute (National Research University)Russian FederationМосковский авиационный институт (национальный исследовательский университет); Институт проблем механики РАН им. А.Ю. ИшлинскогоРоссияMoscow Aviation Institute (National Research University); A. Ishlinsky Institute for Problems in Mechanics RASRussian FederationМосковский авиационный институт (национальный исследовательский университет); Московский государственный университет им. М.В. ЛомоносоваРоссияMoscow Aviation Institute (National Research University); Lomonosov Moscow State UniversityRussian Federation201613012017196185194Copyright © Ларина Е.В., Крюков И.А., Иванов И.Э., 20172017Ларина Е.В., Крюков И.А., Иванов И.Э.Larina E.V., Kryukov I.A., Ivanov I.E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://avia.mstuca.ru/jour/article/view/1000

Работа направлена на развитие и применение программного комплекса моделирования высокоскоростных турбулентных течений газа. Рассмотрены двумерные нестационарные течения в кавернах и отсеках и трехмерные течения в отсеке сложной геометрии. Используются две параметрические модели турбулентности.Проведено численное моделирование нестационарного трансзвукового течения с числом Маха набегающего потока Mоо = 0,74 в узком канале с мелкой каверной внутри. Получены зависимости статического давления в фиксированных точках пространства от времени. Показано, что отличие результатов обработки данных численного моделирования с использованием быстрого преобразования Фурье от экспериментальных данных составляет не более 6-10 %.Проведено численное моделирование нестационарного трансзвукового течения с числом Маха набегающего потока Mоо = 0,85 в мелкой каверне. Получены низкочастотные колебания статического давления в нескольких фиксированных точках пространства. Спектральные функции колебаний в центре каверны сопоставлены с экспериментальными данными и модами Росситера. Получено приемлемое соответствие расчетов эксперименту. Проведено исследование влияния геометрического фактора на частотные характеристики потока. Для этого к каверне добавлены круглые створки. Наличие створок привело к изменениям в самых низкочастотных модах колебаний. Исчезла первая мода, уменьшилась амплитуда второй моды и значительно уменьшилась амплитуда третьей моды. Изменение высоты выступающей во внешний поток части геометрии привело к изменениям амплитуд пульсаций давления без изменения частот. Для данного случая приводится сравнение спектральных функций, полученных с использованием двух рассмотренных моделей турбулентности. Установлено, что значения частот отличаются слабо, различия имеются в амплитудах пульсаций.Проведено численное исследование влияния положения плоской заслонки на параметры нестационарного дозвукового течения с числом Маха набегающего потока Mоо = 0,65 в цилиндрическом отсеке с внутренним телом. Рассмотрены случаи отклонения заслонки внутрь отсека с углами 26 и 41º относительно горизонтальной плоскости, а также случай без заслонки. Получены низкочастотные колебания статического давления. Наличие заслонки не изменило частот пульсаций статического давления. С ростом угла отклонения заслонки растут амплитуды колебаний во всех рассмотренных точках течения.

The article is devoted to the validation and application of CFD code for turbulent flows. Two-dimensional unsteady flows in the cavities and compartments and three-dimensional flow in the compartment of complex geometry have been considered. Two turbulence parameter oriented models are used.Numerical simulation of unsteady transonic flow (Mоо=0.74) in a narrow channel with a cavity inside has been conducted. The dependence of the static pressure on time at fixed points in space has been obtained. The fast Fourier transform has been applied for processing data of static pressure. The difference of 6-10% between the numerical and experi-mental data has been obtained.The computations of unsteady transonic cavity flow with Mach number Mоо=0.85 have been performed. Low frequency oscillations of the static pressure in several fixed points in space have been obtained. Power spectrum of oscillations at the center of the cavity is compared with experimental data and Rossiter modes. An acceptable agreement between experimental and computed data has been achieved. The influence of geometrical factors on the frequency characteristics of the flow has been investigated. For this purpose two round flaps have been added to the cavity. The most low-frequency oscillation modes changed by the presence of the flaps. The first mode was gone, the second mode amplitude decreased and the third mode amplitude significantly decreased. The changes in height of protruding part of the geometry to the external flow have led to changes in pressure pulsation amplitude without changing the frequency. The spectral functions obtained while using the two considered models of turbulence have been compared for this case. It is found that the frequency values are only slightly different; the main difference is present at the amplitude of pulsations.The effect of deflection of flat flap on the non-stationary subsonic flow parameters in a cylindrical body with an inner compartment has been investigated. The cases of deflection angles of the flap inside the compartment with values 26º and 41º above the horizontal plane, and also the case without flap have been considered. Low-frequency oscillations of the static pressure have been obtained. The presence of the flap did not change the frequency of static pressure pulsations. With the increase of the choke deflection angle, the oscillation amplitude increases at all considered points of the flow too.

моделирование турбулентных высокоскоростных теченийтечение в кавернеполуэмпирические модели турбулентностиk-Е модель турбулентностиµt-k-Е модель турбулентностиnumerical simulation of high-speed turbulent flowscavity flow problemsemi-empirical turbulence modelsk-ε turbulence modellag turbulence modelРабота выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ (№ 16-38-60185, №16-01-00444а).ReferencesГлушко Г.С., Иванов И.Э., Крюков И.А. Моделирование турбулентности в сверхзвуковых струйных течениях [Электронный ресурс] // Физико-химическая кинетика в газовой динамике: сетевой журн. 2010. Т. 9. URL: http://chemphys.edu.ru/issues/2010-9/articles/142/ (дата обращения: 09.07.2016)Glushko G.S., Ivanov I.E., Kryukov I.A. Modelirovanie turbulentnosti v sverhzvukovykh struinykh techeniyakh [Turbulence modeling for supersonic jet flows]. Fiziko-khimicheskaya kinetika v gazovoi dinamike: setevoi zhurn [Physical-Chemical Kinetics in Gas Dynamics]. 2010, vol. 9. Available at: http://chemphys.edu.ru/issues/2010-9/articles/142/ (accessed 09.07.2016). (in Russian)Глушко Г.С., Иванов И.Э., Крюков И.А. Численное моделирование отрывных течений в соплах [Электронный ресурс] // Физико-химическая кинетика в газовой динамике: сетевой журн. 2010. Т.9. URL: http://chemphys.edu.ru/issues/2010-9/articles/143/ (дата обращения: 09.07.2016)Glushko G.S., Ivanov I.E., Kryukov I.A. Chislennoe modelirovanie otryvnykh techenii v soplakh [Numerical simulation of separated flow in nozzles]. Fiziko-khimicheskaya kinetika v gazovoi dinamike: setevoi zhurn [Physical-Chemical Kinetics in Gas Dynamics]. 2010, vol. 9. Available at: http://chemphys.edu.ru/issues/2010-9/articles/143/ (accessed 09.07.2016). (in Russian)Крюков И.А. Расчет сверхзвуковых турбулентных течений // Вестник Московского авиационного института. 2009. Т. 16, № 2. С. 101-108Kryukov I.A. Raschet sverkhzvukovykh turbulentnykh techenii [A computation of turbulent supersonic flows]. Vestnik Moskovskogo aviatsionnogo instituta [Bulletin of the Moscow Aviation Institute], 2009, vol. 16, № 2, pp. 101–108. (in Russian)Иванов И.Э., Крюков И.А., Ларина Е.В. Влияние времени релаксации турбулентной вязкости на моделирование течений в соплах и струях // Известия РАН. Механика жидкости и газа. 2014. № 5. С. 149-159Ivanov I.E., Kryukov I.A., Larina E.V. Vliyanie vremeni relaksatsii turbulentnoi vyazkosti na modelirovanie techenii v soplakh i struyakh [Effect of the turbulent viscosity relaxation time on the modeling of nozzle and jet flows]. Izvestiya RAN. Mekhanika zhidkosti i gaza [Fluid Dynamics]. 2014, vol. 49, № 5, pp. 694–702. (in Russian)Hirahara H., Kawahashi M., Khan M.U., Hourigan K. Experimental investigation of fluid dynamic instability in a transonic cavity flow. Experimental Thermal and Fluid Science, 2007, vol. 31, рp. 333-347. DOI:10.1016/j.expthermflusci.2006.05.007Hirahara H., Kawahashi M., Khan M.U., Hourigan K. Experimental investigation of fluid dynamic instability in a transonic cavity flow. Experimental Thermal and Fluid Science. 2007, vol. 31, рp. 333–347. DOI:10.1016/j.expthermflusci.2006.05.007Afridi U.Z. Numerical Simulation of turbulent flow Over a Cavity. Master Thesis. Department of Appl. Math., Division of Fluid Dynamic, Chalmers University of technology, Gottingen Sweden. 2012. 61 pAfridi U.Z. Numerical Simulation of turbulent flow Over a Cavity. Master Thesis. Department of Appl. Math., Division of Fluid Dynamic, Chalmers University of technology, Gottingen Sweden. 2012. 61 p.Савельев А.Д. О влиянии задней кромки каверны на интенсивность пульсаций потока // Известия РАН. Механика жидкости и газа. 2001. № 3. С. 79-89Savel’ev A.D. O vliyanii zadnei kromki kaverny na intensivnost' pul'satsii potoka [Influence of the Trailing Edge of a Cavity on the Flow Fluctuation Intensity]. Izvestiya RAN. Mekhanika zhidkosti i gaza [Fluid Dynamics]. 2001, vol. 36, issue 3, pp. 408–417. DOI: 10.1023/A:1019283917947 (in Russian)Иванов И.Э., Крюков И.А. Квазимонотонный метод повышенного порядка точности для расчета внутренних и струйных течений невязкого газа // Математическое моделирование. 1996. Т. 8, № 6. С. 47-55Ivanov I.E., Kryukov I.A. Kvazimonotonnyi metod povyshennogo poryadka tochnosti dlya rascheta vnutrennikh i struinykh techenii nevyazkogo gaza [High resolution monotone method for computation internal and jet inviscid flows]. Matematicheskoe modelirovanie [Math modeling]. 1996, vol. 8, № 6, pp. 47–55. (in Russian)Глушко Г.С., Иванов И.Э., Крюков И.А. Метод расчета турбулентных сверхзвуковых течений // Математическое моделирование. 2009. Т. 21, № 12. С. 103-121Glushko G.S., Ivanov I.E., Kryukov I.A. Metod rascheta turbulentnykh sverkhzvukovykh techenii [Computational method for turbulent supersonic flows]. Matematicheskoe modelirovanie [Math modeling]. 2010, vol. 2, issue 4, pp. 407–422. DOI:10.1134/S2070048210040010 (in Russian)Sarkar S., Erlebacher G., Hussaini M.Y., Kreiss H.O. The analysis and modeling of dilatational terms in compressible turbulence. Journal of Fluid Mechanics, 1991, vol. 227, pp. 473-493Sarkar S., Erlebacher G., Hussaini M.Y., Kreiss H.O. The analysis and modeling of dilatational terms in compressible turbulence. Journal of Fluid Mechanics, 1991, vol. 227, pр. 473–493.Chen Y. S. Applications of a new wall function to turbulent flow computations AIAA. Aerospace Sciences Meeting, 24th, Reno, NV, Jan. 6-9, 1986. 11 pChen Y.S. Applications of a new wall function to turbulent flow computations AIAA. Aerospace Sciences Meeting, 24th, Reno, NV, Jan. 6–9, 1986. 11 p.Rossiter J.E. Wind tunnel experiments on the flow over rectangular cavities at subsonic and transonic speeds Technical report NARC R&M №3438, Aeronautical Research Council , UK. 1964. Pp. 1-32Rossiter J.E. Wind tunnel experiments on the flow over rectangular cavities at subsonic and transonic speeds Technical report NARC R&M № 3438, Aeronautical Research Council , UK. 1964. Pp. 1–32.Численное исследование течения вязкого газа в прямоугольной мелкой каверне / Е.В. Ларина, И.А. Крюков, А. Шушаков, И.Э. Иванов // Материалы X международной конференции «Неравновесные процессы в соплах и струях», Алушта, 25-31 мая 2014 г. Алушта, 2014. С. 40-43Larina E.V., Kryukov I.A., Shushakov A., Ivanov I.E. Chislennoe issledovanie techeniya vyazkogo gaza v pryamougol'noi melkoi kaverne [Numerical simulation of viscous flow in rectangular small cavity]. Materialy X mezhdunarodnoi konferentsii "Neravnovesnye protsessy v soplakh i struyakh", Alushta, 25–31 maya 2014 [Proceedings of International Conference "The non-equilibrium processes in nozzles and jets", Alushta, 25–31 May 2014]. Alushta. 2014. Pp. 40–43. (in Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.