БЕЛЯЕВ ЕРЖАН КЕЛЕСОВИЧ

БЕЛЯЕВ ЕРЖАН КЕЛЕСОВИЧ
Численное исследование взаимодействия сверхзвукового реагирующего
потока с параллельно и поперечно инжектируемой струей топлива
АННОТАЦИЯ
диссертации Беляева Е.К. на соискание ученой степени доктора
философии (PhD) по специальности 6D060300 – Механика
Актуальность темы. Одной из важных современных задач авиационной
техники является создание гиперзвуковых (число Маха М=7-20)
летательных аппаратов (ЛА) с прямоточно-воздушными реактивными
двигателями (ВРД), использующих воздух как окислитель. Воздушный
поток, проходя через систему ударных волн, на входе в камеру сгорания
замедляется до относительно малых чисел Маха, хотя скорость воздушного
потока в камере сгорания остается все еще сверхзвуковой (М=2-3). Это
накладывает жесткие ограничения на время (соответственно скорость)
смешения топлива с окислителем и горение в камере сгорания.
Для изучения структуры сверхзвукового реагирующего течения с
параллельной и поперечной инжекцией топлива два базовых конфигурации
были рассмотрены: сверхзвуковое сдвиговое течение, взаимодействие
поперечной струи со сверхзвуковым потоком. Сжимаемый слой смешения
является одним из важных течений в широком классе инженерных
приложений. В частности, конфигурация сдвигового течения является
простой и в то же время фундаментальной для понимания структуры
перемешивания потока топлива со сверхзвуковым течением окислителя,
соответственно их горения. Такие течения характеризуются образованием
крупномасштабных вихревых структур без сильных скачков уплотнения,
поскольку давление двух газов на входе одинаковые.
Структура течения поперечного впрыска струи в сверхзвуковой поток
является более сложной за счет образования ударно-волновой структуры,
отрыва основного потока от гладких поверхностей стенок перед струей и за
ней, присутствием возвратных течений в дозвуковой зоне, турбулентным
пограничным слоем и также представляет собой одну из фундаментальных
задач вычислительной гидроаэродинамики.
Несмотря на то, что геометрия представленных конфигураций
простая, течение является сложным и позволяет изучить влияние основных
параметров на турбулентное смешение и горение, оценить влияние моделей
турбулентности на структуру взаимодействия двух газов.
Проводится численное исследование смешения и горения двумерной
параллельно и поперечно инжектируемой струи водорода в сверхзвуковом
воздушном потоке воздуха. Система осредненных по Рейнольдсу уравнений
Навье-Стокса для многокомпонентных реагирующих газов численно
решается с использованием ENO схемы третьего порядка точности. Для
определения турбулентной вязкости используется двухпараметрическая k-ε
модель турбулентности с эффектом сжимаемости и 2D-DNS модель. Для
моделирования химических реакций горения используется семи стадийный
механизм Джачимовского с семью компонентами.
Математические модели были успешно реализованы для течений
совершенных однокомпонентных газов, но практическое моделирование
ПВРД (ГПВРД) требует понимания взаимодействия сверхзвукового потока
окислителя с параллельной и поперечной струей для многокомпонентных
реагирующих газов. В частности, нестационарное поведение слоя смешения
с образованием крупномасштабных вихревых структур и улучшение их
роста для многокомпонентных газов все еще требует полномерного
изучения. Для более детального моделирования сверхзвукового
реагирующего течения в ограниченных областях, характеризующихся
присутствием обширных дозвуковых зон в пограничном слое и в слое
смешения использование алгебраических моделей турбулентности
недостаточно точно отражают схему течения. Поэтому следует привлекать
более точные модели турбулентности. Поскольку физические процессы в
камере сгорания протекают с очень большими скоростями при численном
моделировании необходимо использовать схемы высокого порядка
точности как по времени, так и по пространству. Также использование
монотонных схем высокого порядка точности без введения дополнительных
членов искусственной вязкости позволяют воспроизводить более точную
картину течения с сильными ударными волнами. Все вышеуказанные
недостатки были преодолены за счет использования ENO схемы высокого
порядка точности совместно с k-ε и 2D-DNS моделями турбулентности и
механизма химических реакций Джачимовского.
Цель исследования: численное исследование взаимодействия
плоского сверхзвукового турбулентного воздушного потока с параллельной
и поперечной струей водорода, их смешения и горения. Разработка
численной методики решения осредненных по Рейнольдсу (RANS)
уравнений Навье-Стокса для совершенного многокомпонентного газа на
основе ENO схемы совместно с k-ε и 2D-DNS моделями турбулентности и
механизма химических реакций Джачимовского. Определение влияния
основных физических параметров на улучшение процессов смешения и
горения предварительно не перемешанной водородно-воздушной смеси.
Объект исследования: сверхзвуковое турбулентное реагирующее
течение с параллельным и поперечным впрыском струй.
Предмет исследования: турбулентное смешение и горение водорода,
инжектируемого в параллельном и поперечном направлениях в
сверхзвуковой воздушный поток с использованием ENO схемы высокого
порядка точности совместно с k-ε и 2D-DNS моделями турбулентности и
семи стадийным механизмом химических реакций Джачимовского.
Научная новизна: исследование главным образом состоит в
применении конечно-разностной ENO схемы третьего порядка точности
совместно с k-ε и 2D-DNS моделями турбулентности, а также механизма
химических реакций Джачимовского для численного моделирования и
изучения турбулентного смешения и горения водорода, инжектируемого в
параллельном и поперечном направлениях в сверхзвуковой поток воздуха.
В ходе исследований получены следующие новые результаты:
- формулированная в работе математическая модель, основанная на
осредненных
по
Рейнольдсу
уравнений
Навье-Стокса
для
многокомпонентной газовой смеси и предложенный численный алгоритм на
основе ENO схемы высокого порядка точности были в полной мере
верифицированы и применены для численного моделирования
сверхзвукового сдвигового течения и взаимодействия струи с основным
потоком;
- постановка граничных условий не отражения на верхней, нижней и
выходной границах для конфигурации свободного сдвигового течения и на
выходной границе для конфигурации поперечного впрыска струи,
основанная на характеристическом анализе уравнений Навье-Стокса для
течений со сверхзвуковыми и дозвуковыми зонами была численно
реализована;
- семи стадийный механизм химических реакций Джачимовского
совместно с ENO схемой третьего порядка точности и k-ε модели
турбулентности были численно адаптированы для моделирования
распространения пламени и образования продуктов сгорания;
- семи стадийный механизм химических реакций Джачимовского
совместно с ENO схемой третьего порядка точности и 2D-DNS подхода
были численно адаптированы для моделирования распространения пламени
и образования продуктов сгорания для многокомпонентного слоя смешения;
- влияние алгебраической модели турбулентности Болдуина-Ломакса,
k-ε модели с учетом и без учета сжимаемости на сверхзвуковые и
дозвуковые зоны потока, а именно отрывные зоны перед струей и за ней,
ударно-волновая структура, образование бочкообразной структуры струи
были численно исследованы;
- были получены крупномасштабные вихревые структуры и их рост
вниз по потоку для свободного сдвигового течения однокомпонентных и
многокомпонентных газов без введения нестационарных возмущений на
входе;
- численно было показано, что использование нестационарного
возмущения на входе позволяет увеличить скорость перемешивания
водородно-воздушной смеси в несколько раз;
- из численных экспериментов было показано, что процесс зажигания
и диффузионного горения предварительно не перемешанной водородновоздушной смеси для свободного сдвигового течения появляется в слое
смешения, в зоне образования интенсивных вихрей с выделением тепла за
счет химических реакций;
- влияние числа Маха набегающего потока и параметра нерасчетности
на длину отрывной зоны перед струей и за ней, на высоту проникновения
струи с использованием модели турбулентности Болдуина-Ломакса, k-ε
модели с учетом и без учета сжимаемости было численно изучено;
- установлено, что k-ε модели с учетом и без учета сжимаемости более
точно описывают структуру течения в дозвуковой зоне потока;
- численно моделирован процесс зажигания и диффузионного горения
предварительно не перемешанной водородно-воздушной смеси при
поперечной инжекции топлива в сверхзвуковой поток;
- численные результаты показали, что интенсивное выделение тепла с
максимальным образованием продуктов сгорания сконцентрированы за
лямбда-образной системой ударных волн.
Положения, выносимые на защиту:
- численный алгоритм для моделирования сверхзвукового
реагирующего течения в свободном сдвиговом слое и в канале с
поперечным впрыском струи на основе ENO схемы совместно с k-ε модели
турбулентности и семи стадийным механизмом химических реакций
Джачимовского; было установлено, что k-ε модели с учетом и без учета
сжимаемости более точно описывает структуру течения вблизи стенки;
- численный алгоритм для моделирования сверхзвукового
реагирующего течения в свободном сдвиговом слое на основе ENO схемы
совместно с 2D-DNS и семи стадийным механизмом химических реакций
Джачимовского; было установлено, что использование 2D-DNS позволяет
достаточно
точно
описывать
турбулентный
слой
смешения
многокомпонентных газов;
- численная реализация граничных условий не отражения на верхней,
нижней и выходной границах для конфигурации свободного сдвигового
течения, на выходной границе для конфигурации поперечного впрыска
струи в сверхзвуковой поток;
- получено образование крупномасштабных вихревых структур и их
рост вниз по потоку для свободного сдвигового течения однокомпонентных
и многокомпонентных газов без использования нестационарных
возмущений на входе;
- установлено, что использование нестационарных возмущений на
входе увеличивает скорость смешения водородно-воздушной смеси в
несколько раз;
- воспламенение и диффузионное горение предварительно не
перемешанной водородно-воздушной смеси в конфигурации свободного
сдвигового течения протекает в развитом слое смешения, где происходит
формирование интенсивных вихрей с тепловыделением за счет химических
реакций;
- установлено, что k-ε модели с учетом и без учета сжимаемости более
точно описывает структуру течения в дозвуковой зоне потока;
- образование максимальных продуктов сгорания с интенсивным
выделением тепла в плоском канале с поперечным впрыском струи
водорода расположено за лямбда-образной системой ударных волн.
Структура и объем диссертации: Диссертация содержит введение,
пять разделов, заключение, список использованных источников в
количестве 146 и двух приложений. Работа состоит из 177 страниц.
Основные результаты исследования:
В первом разделе содержится краткий обзор литературы,
посвященный теоретическому и экспериментальному исследованию
сверхзвукового реагирующего течения при параллельной и поперечной
инжекции струи топлива. Обсуждаются конечно-разностные методы
решения уравнений Навье-Стокса для многокомпонентной газовой смеси
применительно к задаче сверхзвукового реагирующего течения с
параллельным и поперечным впрыском струи топлива.
Во втором разделе представлена система главных уравнений,
основанных на законах сохранения массы, количества движения и энергии.
Уравнения для переноса компонент, т.е. сохранения вещества аналогичны
предыдущим уравнениям с источником химических реакций горения.
Представлены
соотношения,
описывающие
диффузионные
и
термохимические свойства газов. Также приведено осредненное по
Рейнольдсу уравнение Навье-Стокса с соответствующей замыкающей
моделью для турбулентной вязкости.
В третьем разделе представлен численный алгоритм, основанный на
существенно не осциллирующей ENO схеме третьего порядка точности по
пространству и второго порядка точности по времени для решения
двумерного уравнения Навье-Стокса для многокомпонентной газовой
смеси.
В четвертом разделе проведено численное моделирование плоского
сверхзвукового свободного сдвигового течения для однокомпонентных
газов при неустойчивом и турбулентном режимах, также для
многокомпонентных реагирующих газов. Представлено влияние входных
чисел Маха, температур и массовых концентраций компонентов на скорость
смешения. Представлено воспламенение и диффузионное горение
водородно-воздушной смеси в слое смешения, где происходит образование
интенсивных вихрей с тепловыделением за счет химических реакций.
Влияние числа Маха потоков на зажигание водородно-воздушной смеси и
полноту сгорания также продемонстрированы.
В пятом разделе проводится численное моделирование плоского
турбулентного сверхзвукового воздушного потока с поперечной инжекцией
струи газа. Изучена задача поперечного впрыска струи водорода без
химического взаимодействия с использованием различных моделей
турбулентности: алгебраическая модель Болдуина-Ломакса, k-ε с учетом и
без учета сжимаемости. Путем сравнения влияния представленных моделей
турбулентности на образование первичного и вторичного вихрей в зоне
отрыва потока перед струей и за ней, на ударно-волновую структуру, на
сверхзвуковые и дозвуковые зоны потока, на длину отрывной зоны перед
струей, на высоту проникновения струи в основной поток было получено,
что k-ε модель с учетом и без учета сжимаемости более точно
предсказывает структуру течения в дозвуковой зоне. Численно
моделирована проблема горения водорода, поперечно инжектируемого в
сверхзвуковой воздушный поток.
Аппробация работы и публикации: По материалам диссертации
было опубликовано 20 печатных работ, из них: 2 статьи в зарубежном
научном журнале, входящим в базу данных Scopus; 6 статей в журналах,
рекомендованных ККСОН МОН РК; 5 статьей и тезисов, опубликованных в
материалах зарубежных конференции; 7 тезисов в материалах
международных конференции, проведенных в РК.