Моделирование горения поперечных струй водорода в высокоскоростном течении в прямоугольном канале методом IDDES

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Описаны результаты третьего этапа численного моделирования эксперимента ONERA LAPCAT II по высокоскоростному горению водорода в модельном канале. На данном этапе расчеты проводились с учетом шероховатости стенок канала и наличия стекол на боковых стенках. Также был добавлен генератор синтетической турбулентности на входе в канал, а начальное поле было получено в предварительном RANS (Reynolds-averaged Navier–Stokes) расчете с использованием нелинейной модели SST-NL (nonlinear shear stress transport), что привело к возникновению вторичных токов в углах канала. Представлены результаты расчетов на базе подхода SST-IDDES (SST-based improved delayed detached eddy simulation). Показано, что учет стекол влияет на структуру отрывных областей, но слабо влияет на средние параметры течения и распределение давления вдоль канала. Существенное влияние на все параметры оказывает нелинейная модель и генерация синтетической турбулентности.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Сергей Бахнэ

Центральный аэродинамический институт им. проф. Н. Е. Жуковского (ЦАГИ)

Автор, ответственный за переписку.
Email: bakhne@phystech.edu

(р. 1994) — младший научный сотрудник Центрального аэродинамического института им. проф. Н. Е. Жуковского (ЦАГИ); ассистент Московского физико-технического института

Россия, 1 Zhukovsky Str., Zhukovsky 140180, Moscow Region

Владимир Викторович Власенко

Центральный аэродинамический институт им. проф. Н. Е. Жуковского (ЦАГИ)

Email: vlasenko.vv@yandex.ru

(р. 1969) — доктор физико-математических наук, заместитель начальника лаборатории Центрального аэродинамического института им. проф. Н. Е. Жуковского (ЦАГИ); профессор Московского физико-технического института

Россия, 1 Zhukovsky Str., Zhukovsky 140180, Moscow Region

Список литературы

  1. Oefelein J. C. Large eddy simulation of turbulent combustion processes in propulsion and power systems // Prog. Aerosp. Sci., 2006. Vol. 42. No. 1. P. 2–37. doi: 10.1016/j.paerosci.2006.02.001.
  2. Spalart P. R. Detached-eddy simulation // Annu. Rev. Fluid Mech., 2009. Vol. 41. P. 181–202. doi: 10.1146/annurev.fluid.010908.165130.
  3. Menter F., H ppe A., Matyushenko A., Kolmogorov D. An overview of hybrid RANS–LES models developed for industrial CFD // Appl. Sci. — Basel, 2021. Vol. 11. No. 6. P. 2459. doi: 10.3390/app11062459.
  4. Власенко В. В., Лю В., Молев С. С., Сабельников В. А. 2020. Влияние условий теплообмена и химической кинетики на структуру течения в модельной камере сгорания ONERA LAPCAT II // Горение и взрыв, 2020. Т. 13. № 2. С. 36–47. doi: 10.30826/CE20130205.
  5. Сабельников В. А., Трошин А. И., Бахнэ С., Молев С. С., Власенко В. В. Поиск определяющих физических факторов в валидационных расчетах экспериментальной модели ONERA LAPCAT II с учетом шероховатости стенок канала // Горение и взрыв, 2021. Т. 14. № 4. С. 55–67. doi: 10.30826/CE21140406.
  6. Bakhne S., Troshin A., Sabelnikov V., Vlasenko V. Improved delayed detached eddy simulation of combustion of hydrogen jets in a high-speed confined hot air cross flow // Energies, 2023. Vol. 16. P. 1736. doi: 10.3390/en16041736.
  7. Liu W. Analysis of factors determining numerical solution in the calculation of flow with combustion using the ONERA experimental model // Thermophys. Aeromech., 2023. Vol. 30. P. 507–523. doi: 10.1134/ S0869864323030101.
  8. Bakhne S., Vlasenko V., Troshin A., Sabelnikov V., Savelyev A. Improved delayed detached eddy simulation of combustion of hydrogen jets in a high-speed confined hot air cross flow II: New results // Energies, 2023. Vol. 16. No. 21. P. 7262. doi: 10.3390/en16217262.
  9. Vincent-Randonnier A., Moule Y., Ferrier M. Combustion of hydrogen in hot air flows within LAPCAT-II dual mode ramjet combustor at Onera-LAERTE facility — experimental and numerical investigation. AIAA Paper No. 2014-2932, 2014. doi: 10.2514/6.2014-2932.
  10. Balland S., Vincent-Randonnier A. Numerical study of hydrogen/air combustion with CEDRE code on LAERTE dual mode ramjet combustion experiment. AIAA Paper No. 2015-3629, 2015. doi: 10.2514/6.2015-3629.
  11. Vincent-Randonnier A., Sabelnikov V., Ristori A., Zettervall N., Fureby C. An experimental and computational study of hydrogen–air combustion in the LAPCAT II supersonic combustor // P. Combust. Inst., 2019. Vol. 37. No. 3. P. 3703–3711. doi: 10.1016/j.proci.2018.05.127.
  12. Pelletier G., Ferrier M., Vincent-Randonnier A., Sabelnikov V., Mura A. 2021. Wall roughness effects on combustion development in confined supersonic flow // J. Propul. Power, 2021. Vol. 37. No. 1. P. 151–166. doi: 10.2514/1.B37842.
  13. Volino R. J., Devenport W. J., Piomelli U. Questions on the effects of roughness and its analysis in non-equilibrium flows // J. Turbul., 2022. Vol. 23. P. 454–466. doi: 10.1080/14685248.2022.2097688.
  14. Bruce P. J. K., Burton D. M. F., Titchener N. A., Babinsky H . Corner effect and separation in transonic channel flows // J. Fluid Mech., 1997. Vol. 679. P. 247–262. doi: 10.1017/jfm.2011.135.
  15. Bruce P. J. K., Babinsky H., Tartinville B., Hirsch C. Corner effect and asymmetry in transonic channel flows // AIAA J., 2011. Vol. 49. No. 11. P. 2382–2392. doi: 10.2514/1.J050497.
  16. Sabnis K. Supersonic corner flows in rectangular ducts. — Cambridge: University of Cambridge, 2020. Ph.D. Thesis. doi: 10.17863/CAM.59806.
  17. Boychev K. Shock wave – boundary-layer interactions in high-speed intakes. — Glasgow: Univesity of Glasgow, 2021. Ph.D. Thesis. https://theses.gla.ac.uk/82577/.
  18. Spalart P. R. Strategies for turbulence modeling and simulations // Int. J. Heat Fluid Fl., 2000. Vol. 21. P. 252–263. doi: 10.1016/S0142-727X(00)00007-2.
  19. Mani M., Babcock D., Winkler C., Spalart P. R. Predictions of a supersonic turbulent flow in a square duct // AIAA Paper No. 2013-0860, 2013. doi: 10.2514/6.2013-860.
  20. Трошин А. И., Молев С. С., Власенко В. В., Михайлов С. В., Бахнэ С., Матяш С. В. Моделирование турбулентных течений на основе подхода IDDES с помощью программы zFlare // Вычислительнаямеханика сплошных сред, 2023. Т. 16. № 2. С. 203–218. doi: 10.7242/1999-6691/2023.16.2.18.
  21. Bosnyakov S., Kursakov I., Lysenkov A., Matyash S., Mikhailov S., Vlasenko V., Quest J. Computational tools for supporting the testing of civil aircraft configurations in wind tunnels // Prog. Aerosp. Sci., 2008. Vol. 44. P. 67–120. doi: 10.1016/j.paerosci.2007.10.003.
  22. Menter F. R., Kuntz M., Langtry R. Ten years of industrial experience with the SST turbulence model // Turbulence Heat Mass Transfer, 2003. Vol. 4. No. 1. P. 625–632. https://cfd.spbstu.ru/agarbaruk/doc/2003_Menter,%20Kuntz,%20Langtry_Ten%20years%20of%20industrial%20experience%20with%20the%20SST%20turbulence%20model.pdf.
  23. Suga K., Craft T. J., Iacovides H. An analytical wall-function for turbulent flows and heat transfer over rough walls // Int. J. Heat Fluid Fl., 2006. Vol. 27. P. 852–866. doi: 10.1016/j.ijheatfluidflow.2006.03.011.
  24. Aupoix B. 2015. Roughness corrections for the - SST model: Status and proposals // J. Fluid. Eng. — T. ASME, 2015. Vol. 137. No. 2. P. 021202. 10 p. doi: 10.1115/ 1.4028122.
  25. Zhang R., Zhang M., Shu C. W. On the order of accuracy and numerical performance of two classes of finite volume WENO schemes // Commun. Comput. Phys., 2011. Vol. 9. No. 3. P. 807–827. doi: 10.4208/cicp.291109.080410s.
  26. Suresh A., Huynh H. Accurate monotonicity-preserving schemes with Runge–Kutta time stepping // J. Comput. Phys., 1997. Vol. 136. No. 1. P. 83–99. doi: 10.1006/jcph.1997.5745.
  27. Gritskevich M. S., Garbaruk A.V., Sch tze J., Menter F. R. Development of DDES and IDDES formulations for the - shear stress transport model // Flow Turbul. Combust., 2011. Vol. 88. Iss. 3. P. 431–449. doi: 10.1007/ s10494-011-9378-4.
  28. Guseva E. K., Garbaruk A. V., Strelets M. K. An automatic hybrid numerical scheme for global RANS–LES approaches // J. Phys. Conf. Ser., 2017. Vol. 929. No. 1. doi: 10.1088/1742-6596/929/1/012099.
  29. Bakhne S., Sabelnikov V. A method for choosing the spatial and temporal approximations for the LES approach // Fluids, 2022. Vol. 7. No. 12. P. 376. doi: 10.3390/fluids7120376.
  30. Bakhne S., Troshin A. I. Comparison of upwind and symmetric WENO schemes in large eddy simulation of basic turbulent flows // Comp. Math. Math. Phys., 2023. Vol. 63. No. 6. P. 1122–1136. doi: 10.31857/ S0044466923060030.
  31. Jachimowski C. J. An analysis of combustion studies in shock expansion tunnels and reflected shock tunnels. — Hampton: NASA, 1992. Technical Paper 3224.
  32. Matyushenko A. A., Garbaruk A. V. Non-linear correction for the - SST turbulence model // J. Phys. Conf. Ser., 2017. Vol. 929. doi: 10.1088/1742-6596/929/1/012102.
  33. Pelletier G., Ferrier M., Vincent-Randonnier A., Mura A. Delayed detached eddy simulations of rough-wall turbulent reactive flows in a supersonic combustor. AIAA Paper No. 2020-2409, 2020. doi: 10.2514/6.2020-2409.
  34. Михеев М. А. Расчетные формулы конвективного теплообмена // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт, 1966. № 5. С. 96–105.
  35. Shur M. L., Spalart P. R., Strelets M. K., Travin A. K. Synthetic turbulence generators for RANS–LES interfaces in zonal simulations of aerodynamic and aeroacoustic problems // Flow Turbul. Combust., 2014. Vol. 93. P. 63–92. doi: 10.1007/s10494-014-9534-8.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис.1. Модельный канал экспериментальной установки ONERA LAERTE

Скачать (315KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Линии тока и изоповерхность нулевой продольной компоненты скорости, RANS-расчеты: (а) без учета стекол; (б) с учетом стекол

Скачать (350KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Структура отрывов (поток направлен слева направо): (а) RANS-расчет по модели SST; (б) RANS-расчет по модели SST-NL

Скачать (243KB)
Метаданные
5.  Рис. 4 Распределение давления вдоль канала: эксперименты ONERA (1) и RANS-расчеты по модели SST (высота шероховатости (эквивалентный размер песчинки)  мкм) (2) и SST-NL: 3 —  мкм; 4 — 80; 5 —  мкм

Скачать (135KB)
Метаданные
6.  Рис. 5 Поле числа Маха в плоскости симметрии в окрестности струи: (а) IDDES-расчет без STG из [104]; (б) IDDES-расчет с STG

Скачать (137KB)
Метаданные
7.  Рис. 6 Поле числа Маха в плоскости симметрии в последовательные моменты времени IDDES-расчета: (а)  мс (начальное поле); (б)  мс; (в) 0,96; (г) 2,05; (д) 2,88; (е) 4; (ж)  мс

Скачать (464KB)
Метаданные
8.  Рис. 7 Распределение давления вдоль канала: 1 — эксперименты ONERA; 2 — RANS-расчет по модели SST-NL (начальное поле); 3 и 4 — IDDES-расчеты ( мкм) в два последовательные момента времени (3 — 2,88 мс; 4 — 4,88 мс)

Скачать (140KB)
Метаданные

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».