Численное моделирование внутрикамерных нестационарных турбулентных течений. Часть 1

В работе представлена методика моделирования трехмерных внутренних нестационарных турбулентных течений, в частности, течения продуктов сгорания в твердотопливном ракетном двигателе. Приведена система определяющих уравнений, описывающая поток сжимаемого вязкого газа, записанная в цилиндрической системе координат. Предложен вычислительный алгоритм, разработанный на основе модифицированной схемы расщепления векторов потоков, относящийся к классу методов, использующих подход Годунова. Данный алгоритм пригоден для сквозного расчета внутреннего течения по всему тракту ракетного двигателя, включающего как зоны дозвукового течения в камере, так и зону сверхзвукового течения в сопле. Полученные результаты численного моделирования внутреннего турбулентного течения газа в модельном ракетном двигателе показывают осциллирующий ударно-волновой характер процессов, протекающих в камере двигателя на начальном этапе работы. Определено время выхода двигателя на стационарный режим.

Ключевые слова

внутрикамерные процессы; турбулентность; нестационарное течение; вычислительная гидрогазодинамика.

Литература

1. Липанов, А.М. Численный эксперимент в теории РДТТ / А.М. Липанов, В.П. Бобрышев, А.В. Алиев, Ф.Ф. Спиридонов, В.Д. Лисица. - Екатеринбург: УИФ Наука, 1994.
2. Ciucci, A. Simulation of Rocket Motor Internal Flows with Turbulent Mass Injection / A. Ciucci, G. Iaccarino, R. Moser, F. Najjar, P. Durbin // Center for Turbulence Research. University of Stanford. - 1998. - P. 245-266.
3. Алиев, А.В. Нестационарные внутрикамерные процессы в твердотопливных регулируемых двигательных установках / А.В. Алиев, О.В. Мищенкова, И.В. Черепов // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия: Машиностроение. - 2016. - № 4. - С. 24-39.
4. Apte, S.V. A Large-Eddy Simulations Study of Transition and Flow Instability in a Porous-Walled Chamber with Mass Injection / S.V. Apte, V. Yang // Journal of Fluid Mechanics. - 2003. - V. 477. - P. 215-225.
5. Липанов, А.М. Численный метод расчета турбулентных течений и теплообмена в двигателях летательных аппаратов / А.М. Липанов, Ю.Ф. Кисаров, И.Г. Ключников // Прикладная математика и механика. - 1992. - № 6. - С. 49-53.
6. Vuillot, F. Combustion and Turbulent Flow Effects in 2D Unsteady Navier-Stokes Simulations of Oscillatory Solid Rocket Motors / F. Vuillot, N. Lupoglazoff // AIAA Paper. - 1996. - № 96-0884. - 15 p.
7. Липанов, А.М. Адаптированные цилиндрические координаты для внутренних объемов элементов конструкции РДТТ / А.М. Липанов, М.Р. Королева, С.Ю. Дадикина // Труды института математики и механики УрО РАН. - 2012. - Т. 18, № 1. - С. 213-221.
8. Волков, К.Н. Теплообмен в каверне с вращающимся диском в турбулентном режиме / К.Н. Волков, П.В. Булат, И.А. Волобуев, В.А. Пронин // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2017. - Т. 17, № 3. - С. 514-524.
9. Липанов, А.М. Теоретическая гидромеханика ньютоновских сред / А.М. Липанов. - М.: Наука, 2011.
10. Fluent 6.3 User's Guide, 2006. - URL: www.sharcnet.ca/Software/Fluent6/html/ug/main_pre.htm
11. Steger, J.L. Flux Vector Splitting of the Inviscid Gasdynamic Equations with Application to Finite Difference Methods / J.L. Steger, R.F. Warming // Journal of Computational Physics. - 1981. - V. 40, № 2. - P. 263-293.
12. Anderson, W.K. A Comparison of Finite Volume Flux Vector Splittings for the Euler Equations / W.K. Anderson, J.L. Thomas, B. Van Leer // AIAA Journal. - 1986. - V. 24, № 9. - P. 1453-1460.
13. Van Leer, B. Towards the Ultimate Conservative Difference Scheme V. A Second Order Sequel to Godunov's Method / B. Van Leer // Journal of Computational Physics. - 1979. - V. 32, № 1. - P. 101-136.
14. Суров, В.С. Метод С.К. Годунова для многоскоростной модели гетерогенной среды / В.С. Суров, И.В. Березанский // Вестник ЮУрГУ. Серия: Математическое моделирование и программирование. - 2014. - Т. 7, № 2. - С. 87-98.
15. Chung, T.J. Computational Fluid Dynamics / T.J. Chung. - Cambridge: Cambridge University Press, 2002.
16. Akselvoll, K. Large-Eddy Simulation of Turbulent Confined Coannular Jets / K. Akselvoll, P. Moin // Fluid Mech. - 1996. - V. 315. - P. 387-411.
17. Ducros, F. Wall-Adapting Local Eddy-Viscosity Models for Simulations in Complex Geometries / F. Ducros, F. Nicoud, T. Poinsot // Proceeding of the 6th ICFD Conference on Numerical Methods for Fluid Dynamic, Oxford, United Kingdom. - 1998. - P. 293-299.
18. Шумихин, А.А. Использование схемы WENO для моделирования турбулентного течения в канале с обратным уступом / А.А. Шумихин, М.Р. Королева, С.В. Дадикина, А.И. Карпов // Вестник Удмуртского университета. Математика. Механика. Компьютерные науки. - 2017. - Т. 27, № 3. - С. 460-469.