В статье приводятся результаты верификационных расчетов в программном комплексе вычислительной аэро -, гидродинамики FlowVision характеристик сверхзвуковых турбулентных струй.
Численное моделирование в статье охватывает несколько известных экспериментов по исследованию сверхзвуковых струй , находящихся в свободном доступе. Представленные тестовые случаи включают в себя тесты Сейнера с числом Маха на срезе М = 2 при расчетном ( n = 1) и нерасчетном ( n = 1.47) истечении из сопла в широком диапазоне температур газа . В работе также проведен численный эксперимент по распространению сверхзвуковой струи в спутном сверхзвуковом потоке М = 2.2. Для данного теста заданы параметры , определенные в эксперименте Putnam: степень понижения давления в сопле NPR = 8.12 и полная температура T = 317 K.
Показано сравнение расчетов FlowVision с экспериментальными и полученными в других расчетных кодах данными . Наилучшее совпадение с экспериментом Сейнера среди рассмотренных моделей турбулентности получено при использовании стандартной k – ε модели турбулентности с установленной поправкой на сжимаемость по модели Wilcox. Достигнуто согласование с экспериментальными данными на дальнем следе до 7 % по скорости потока на оси сопла . Для струи в спутном потоке расчетная характеристика (число Маха) отличается на 3 % от экспериментальной .
В работе определены общие рекомендации к построению методики моделирования FlowVision сверхзвуковых турбулентных струй . В ходе исследования сходимости по сетке получены оптимальные размеры ячеек расчетной сетки : для расчетного истечения достаточно 40 ячеек по радиусу сопла и в области формирования струи , а для нерасчетных реж имов необходимо не менее 80 ячеек по радиусу для точного моделирования ударно-волновой структуры вблизи выхода из сопла .
Влияние применяемых моделей турбулентности показано на примере расчета теста Сейнера . SST- модель турбулентности , применяемая в FlowVision, существенно занижает скорость на оси сопла , для расчета струй данная модель не рекомендуется даже для предварительных оценок . Стандартная k – ε модель без учета сжимаемости также несколько занижает скорость газа . Модель турбулентности KEFV, разработанная для FlowVision, показывает хорошее согласование и несколько завышает «дальнобойность» струи. И наилучшее совпадение с экспериментом по исследуемым характеристикам турбулентных струй получено при расчетах на стандартной k – ε модели с учетом сжимаемости, соответствующей модели Wilcox. Представленная методика может быть взята за основу при моделировании истечения из сверхзвуковых сопел более сложной геометрии .
Ю. В. Фишер, А. Е. Щеляев // Компьютерные исследования и моделирование, 2017, т. 9, № 1, с. 21-35
Скачать полную статью с сайта журнала: http://crm.ics.org.ru/journal/article/2528/