ВЕРИФИКАЦИЯ ГИБРИДНОЙ ЧИСЛЕННОЙ СХЕМЫ ДЛЯ ЗАДАЧИ НАТЕКАНИЯ СЖИМАЕМОЙ СТРУИ НА ТВЕРДУЮ ПРЕГРАДУ

В статье рассматриваются вопросы математического моделирования истечения свободной сжимаемой турбулентной струи из модельного сопла и натекания струи на твердую преграду при различных степенях нерасчетности. Для решения задачи используется разработанный авторами статьи решатель pisoCentralFoam на базе гибридной численной схемы Kurganov-Tadmor, алгоритма PISO и метода контрольного объема. Для расчета сжимаемой струи используется модель на базе нестационарных уравнений Рейнольдса и k-omega SST модели турбулентности с пристеночными функциями. Приведена постановка задачи для расчета натекания струи на преграду. Расчетная область представляла собой прямоугольник. Для упрощения постановки задачи рассматривалось только половина сопла. Для случая свободной струи на задания давления на выходе расчетной области использовалось смешанное граничное условие 3-го рода. На входе расчетной области задавалось специальное табличное условие для давления, которое позволяло постепенно поднимать абсолютное значений для давления. Значение степени нерасчетности струи выбиралось равным n = 2,5 и n = 5,0. Проведен анализ сеточной сходимости на сетках от 100 тысяч до 500 тысяч ячеек. Среднее значение величины y+ составило 270. Расчеты проводились для конечного времени Tend = 0,01 секунды. Получены результаты распределения поля модуля скорости, давления на оси симметрии. Проведено сравнение результатов расчета распределения давления по длине сопла на разных расчетных сетках с результатами эксперимента. Получено совпадение с результатами эксперимента с точностью в 5 %.

Сжимаемая струя, твердая преграда, бочка Маха, устойчивость, сетка, численная схема, нестационарный расчет

1. Антонов А.Н., Купцов В.М., Комаров В.В. Пульсации давления при струйных и отрывных течениях. М.: Машиностроение, 1990. 272 с

2. Горшков Г.Ф., Усков В.Н. Автоколебания в сверхзвуковых перерасширенных импактных струях // ПМТФ. 2002. Т. 43. N 5. С. 49-54

3. Бирюков Г.П. и др. Газодинамика стартовых комплексов. М.: РЕСТАРТ, 2010. 364 с

4. Ковалев О.Б., Фомин В.М. Физические основы лазерной резки толстых листовых материалов. М.: Физматлит, 2013. 256 с

5. Горшков Г.Ф., Усков В.Н., Фаворский В.С. Особенности нестационарного обтекания безграничной преграды недорасширенной струей // ПМТФ. 1993. Т. 43. N 4. С. 58-65

6. Varnier J., Requenet W. Experimental Characterization of the Sound Power Radiated by Impinging Supersonic Jet // AIAA Journal. 2002. Vol. 40. N 5. P. 825-831

7. Куликовский А.Г., Погорелов Н.В., Семенов А.Ю. Математические вопросы численного решения гиперболических систем уравнений. 2-е изд. М.: Физматлит, 2012. 656 с

8. Kraposhin M., Bovtrikova A., Strijhak S. Adaptation of Kurganov-Tadmor Numerical Scheme For Applying in Combination With the PISO Method in Numerical Simulation of Flows in a Wide Range of Mach Numbers // Procedia Computer Science. Vol. 66. 2015. P. 43-52

9. Greenshields C.J. et al. Implementation of semi-discrete, non-staggered central schemes in a colocated, polyhedral, finite volume framework, for high-speed viscous flows // IJNMF. 63:1-21. 2010

10. Asbury S.C., Hunter C.A. Static Performance of a Fixed-Geometry Exhaust Nozzle Incorporating Porous Cavities for Shock-Boundary Layer Interaction Control. NASA/TM-1999-209513. P. 135

11. Dauptain A. et al. Large Eddy Simulation of Stable Supersonic Jet Impinging on Flat Plate // AIAA Journal. Vol. 48. No. 10. 2010

12. Uzun A. et al. Simulation of Tonal Noise Generation for Supersonic Impinging Jets // AIAA Journal. Vol. 51. No. 7. 2013