Численное и аналитическое исследование турбулизации сверхзвукового потока вязкого газа
https://doi.org/10.18384/2949-5067-2024-1-68-82
Аннотация
Цель. Построение нелинейной модели турбулизации сверхзвукового потока вязкого газа при обтекании плоской пластины.
Процедура и методы. Применялось численное моделирование в рамках уравнений Навье – Стокса без привлечения моделей турбулентности с использованием этих результатов расчёта для построения аналитического решения.
Результаты. На основе данных прямого численного моделирования уравнений Навье – Стокса объяснён механизм выброса газа (бёрста) с поверхности теплоизолированной пластины, обтекаемой сверхзвуковым потоком газа с М = 2. Показано, что «вязкий подслой» становится неустойчивым, и на обтекаемой поверхности появляются силы, приводящие к отрыву бёрстов с обтекаемой поверхности. Полученные результаты подтверждают экспериментальные данные: выполнение закона подобия частоты образования бёрстов для сверхзвукового потока газа. Также подтверждена реализация в турбулентном пограничном слое резонансного трёхволнового взаимодействия волн, полученного в теоретических работах.
Теоретическая и практическая значимость. Полученные в статье результаты объясняют механизм перехода ламинарного течения в турбулентное на нелинейном уровне, дополняют и уточняют теорию ламинарно-турбулентного перехода, исследованного ранее в рамках слабонелинейного подхода.
При поддержке: Работа выполнена в рамках гранта РФФИ № 20-01-00184.
Об авторе
Р. Я. Тугазаков
Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н. Е. Жуковского
Россия
Россия
Тугазаков Ренат Ямилович – доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник
140180, Московская обл., г. Жуковский, ул. Жуковского, д. 1
Список литературы
1. Гапонов С. А., Маслов А. А. Развитие возмущений в сжимаемых потоках. Новосибирск: Наука, 1980. 134 с.
2. Kachanov Yu. S. On the resonant nature of the breakdown of a laminar boundary layer // Journal of Fluid Mechanics. 1987. Vol. 184. P. 43–74. DOI: 10.1017/S0022112087002805.
3. Жаров В. А. О волновой теории развитого турбулентного пограничного слоя // Ученые записки ЦАГИ. 1986. Т. XVII. № 5. С. 28–38.
4. Дорофеев Ф. Е. Эффект изменения знака подъёмной силы для степенных тел вращения // Вестник Московского государственного областного университета. Серия: Физика-математика. 2022. № 2. С. 42–50. DOI: 10.18384/2310-7251-2022-2-42-50.
5. Late-Stage Transitional Boundary-Layer Structures. Direct Numerical Simulation and Experiment / Borodulin V. I., Gaponenko V. R., Kachanov Y. S., Meyer D. G. W., Rist U., Lian Q. X., Lee C. B. // Theoretical and Computational Fluid Dynamics. 2002. Vol. 15. P. 317–337. DOI: 10.1007/s001620100054.
6. Репик Е. У., Соседко Ю. П. Турбулентный пограничный слой. Методика и результаты экспериментальных исследований. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. 312 с.
7. Experiments on relative receptivity of three-dimensional supersonic boundary layer to controlled disturbances and its development / Kosinov A. D., Panina A. V., Kolosov G. L., Semionov N. V., Ermolaev Yu. G. // EUCASS Proceedings Series. 2013. Vol. 5: Progress in Flight Physics. P. 69–80. DOI: 10.1051/eucass/201305069.
8. Кудрявцев А. Н., Хотяновский Д. В. Прямое численное моделирование перехода к турбулентности в сверхзвуковом пограничном слое // Теплофизика и аэромеханика. 2015. Т. 22. № 5. С. 581–590.
9. Липатов И. И., Тугазаков Р. Я. Механизм образования бёрстинга при обтекании узкой пластины сверхзвуковым потоком газа // Прикладная механика и техническая физика. 2022. Т. 63. № 2 (372). С. 37–47 DOI: 10.15372/PMTF20220204.
10. Lipatov I. I., Tugazakov R. Ya. Generation of Coherent Structures in Supersonic Flow past a Finite-Span Flat Plate // Fluid Dynamics. 2015. Vol. 50. No 6. P. 793–799. DOI: 10.1134/S0015462815060095.
11. Kline S. J., Reynolds W. C., Shraub F. A., Runstadler P. W. The structure of turbulent boundary layers // Journal of Fluid Mechanics. 1967. Vol. 30. Iss. 4. P. 741–773. DOI: 10.1017/S0022112067001740.
12. Cantuwell D. J. Organaized motion in turbulent flow // Annual Review of Fluid Mechanics. 1981. Vol. 13. P. 457–515. DOI: 10.1146/annurev.fl.13.010181.002325.
13. Ephraim L. R., Burstein S. Z. Difference methods for the inviscid and viscous equations of a compressible gas // Journal of Computational Physics. 1967. Vol. 2. Iss. 2. P. 178–196. DOI: 10.1016/0021-9991(67)90033-2.
14. Tugazakov R. Ya. Three-dimensional Тurbulent Supersonic Flow over a Plate // Fluid Dynamics. 2019. Vol. 54. No. 5. P. 705–713. DOI: 10.1134/S0015462819050100.
15. Тугазаков Р. Я. К теории отрыва сверхзвукового потока невязкого газа в задачах газодинамики // Известия РАН. Механика жидкости и газа. 2016. № 5. С. 118–124. DOI: 10.7868/S0568528116040137.
16. Остапенко Н. А., Симоненко А. М. V-образное крыло в сверхзвуковом потоке под углами атаки и скольжения // Известия РАН. Механика жидкости и газа. 2004. № 1. С. 97–109.
17. Кузнецов М. М., Кулешова Ю. Д., Смотрова Л. В. Эффект высокоскоростной поступательной неравновесности в бимодальной ударной волне // Вестник Московского государственного областного университета. Серия: Физикаматематика. 2012. № 2. С. 108–116.
Рецензия
Просмотров:
45
Послать статью по эл. почте 