Опыт использования алгебраических моделей турбулентности в рамках 2D-RANS модели для расчета нагрева тел простейших форм в сверхзвуковом потоке


Просмотр статьи
PDF, 8,2 МБ

Experience in using algebraic turbulence models within the 2D-RANS model for calculating the heating of bodies of the simplest shapes in a supersonic flow

A two-dimensional model of heating the surface of cone-shaped bodies is presented, based on the Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) equations together with algebraic turbulence models. The problem of choosing the boundary of a turbulent boundary layer when solving a problem using the RANS model is discussed. A comparison was made of the intensity of convective heating of surfaces up to 400 cm long at M ~ 6 ÷ 20 and Reynolds numbers up to Re~4×107.

algebraic models of turbulence, RANS model, supersonic flow around cone-shaped bodies

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.24.4.1069


Том 24, выпуск 4, 2023 год



Представлена двухмерная модель нагрева поверхности конусообразных тел, основанная на усредненных по Рейнольдсу уравнениях Навье  Стокса (RANS) совместно с алгебраическими моделями турбулентности. Обсуждается проблема выбора границы турбулентного пограничного слоя при решении задачи с использованием RANS-модели. Выполнено сравнение интенсивности конвективного нагрева поверхностей протяженностью до 400 см при M ~ 6 ÷ 20 и числах Рейнольдса до Re~4×107.

алгебраические модели турбулентности, RANS модель, сверхзвуковое обтекание конусообразных тел

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.24.4.1069


Том 24, выпуск 4, 2023 год



1. Землянский Б. А., Лунев В. В., Власов В. И. и др. Конвективный теплообмен летательных аппаратов. М.: Физматлит. 2014. 330 с.
2. Tannehill J.C., Anderson D.A., Pletcher R.H. Computational Fluid Mechanics and Heat trans-fer. 1997. Taylor&Francis. 792 p.
3. Visbal M., Knight D. The Baldwin − Lomax Turbulence Model for Two-Dimensional Shock-Wave/Boundary-Layer Interaction // AIAA J. 1984. Vol. 22. No. 7. Pp. 921−928.
4. Shirazi S. A., Truman C. R. Comparison of Algebraic Turbulence Model for PNS Predictions of SuperSonic Flow Past a Sphere-Cone. AIAA 87-0544. 1987.
5. Wilcox D. C. Turbulence modeling for CFD. DCW Industries, Inc. 2006. 515 p.
6. Dilley A. D. Evaluation of CFD Turbulent Prediction Techniques and Comparison with Hyper-sonic Experimental Data. NASA/CR2001210837. 2001. 26 p
7. Roy C. J., Blottner F. G. Assessment of One- and Two- Equation Turbulence Models for Hy-personic Transition Flows // JSR, 2001, vol. 38, no. 5, pp. 699−710.
8. Горский В. В., Пугач М. А. Ламинарно-турбулентный теплообмен на поверхности полу-сферы, обтекаемой сверхзвуковым потоком воздуха// Ученые записки ЦАГИ, 2014, т. 46, № 6, с. 36–42.
9. Горский В.В., Локтионова А.Г. Модифицированная алгебраическая модель турбулентной вязкости Себечи-Смита для всей поверхности затупленного конуса// Вестник МГТУ им.Н.Э.Баумана. Сер. «Машиностроение». 2020. №4. С.28-41.
10. Забарко Д.А., Котенев В.П., Шлякова И.А. Расчет вязкого ударного слоя около поверх-ности затупленных тел с использованием алгебраической модели турбулентности// Вестник МГТУ им.Н.Э.Баумана. Сер. «Естественные науки». 2011. №1. С.87-105.
11. Суржиков С. Т. Результаты использования алгебраических моделей турбулентности в рамках RANS модели нагрева поверхности острой пластины в сверхзвуковом пото-ке//Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2023. Т.24, вып. 3. http://chemphys.edu.ru/issues/2023-24-3/articles/1056/
12. Edquist K.T., Hollis B.R., Johnston C.O., Bose D., White T.R., Mahzari M. Mars Science La-boratory Heat Shield Aerothermodynamics: Design and Reconstruction// JSR. 2014. Vol.51. No.4. pp.1106-1124.
13. Суржиков С.Т. Анализ экспериментальных данных по конвективному нагреву модели марсианского спускаемого аппарата с использованием алгебраических моделей турбулент-ности // Изв. РАН. МЖГ. 2019. №6. С.129-140.
14. Суржиков С.Т. Радиационно-конвективный нагрев поверхности марсианского спускае-мого аппарата MSL при учете турбулентного характера обтекания// Изв. РАН. МЖГ. 2023. №5.
15. Baldwin B. S., Lomax H. Thin Layer Approximation and Algebraic Model for Separated Tur-bulent Flows. AIAA Paper 780257. 1978.
16. Cebeci T., Bradshaw P. Physical and Computational Aspects of Connective Heat Transfer. SpringerVerlag. 2012. 486 p.
17. Гарбарук А.В., Стрелец М.Х., Шур М.Л. Моделирование турбулентности в расчетах сложных течений. –Санкт Петербург: Изд-во Политехнического университета. 2012. 88 с.
18. Колмогоров А.Н. Уравнения турбулентного движения несжимаемой жидкости // ДАН СССР. 1942. Т. 6.
19. Лунев В.В. О модификации осредненных уравнений Навье-Стокса// Изв. РАН. Механика жидкости и газа. 2019. №2. С.
20. Spalart P. R., Allmaras S. R. A one-equation turbulence model for aerodynamic flows//AIAA Paper 1992-0439. 1992.
21. Jones W.P., Launder B.E. The Prediction of Laminarization with a Two-Equation Model of Turbulence// IJHMT. 1972. Vol.15. pp.301-304.
22. Chien J.Y. Predictions of Channel Boundary-Layers Flows with a Low-Reynolds-Number Tur-bulence Model// AIAA J. 1982. Vol.20. pp.33-38.
23. Coakley T.J. Turbulence Modeling Methods for the Compressible Navier-Stokes Equationbs// AIAA 83-1693. 1983. 13 p.
24. Menter F. R. Eddy Viscosity Transport Equations and Their Relation to the Model. J. Fluid Engin., 1997, vol. 119, no. 4, pp. 876−884. https://doi.org/10.1115/1.2819511
25. Menter F. R. Zonal two-equation k-ω turbulence models for aerodynamic flows// AIAA Paper 1993-2906.
26. Белов И.А., Исаев С.А. Моделирование турбулентных течений: Учебное пособие Балт. гос. техн. ун-т. СПб., 2001. 108 с.
27. James C. S. Observations of Turbulent-burst Geometry and Growth in Supersonic Flow. NASA TN-4235.1958. 85 p.
28. Ван-Дайк М. Альбом течений жидкости и газа. М.: Мир. 1986. 180 с.
29. Голубев А.Г., Калугин В.Т. Луценко А.Ю. и др. Аэродинамика: учебное пособие. –М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана. 2010. 687 с.
30. Cebeci T., Kaups K., Ramsey J., Moser A. Cakculation of three dimensional laminare and tur-bulent boundary layers// NASA SP-347. 1975. pp.41-76.
31. Widhopf G. F., Holl R. Transitional and turbulent heat-transfer measurements on a yawed blunt conical nosetip // AIAA J. 1972. V. 10, N 10, p. 1318 — 1325.
32. Anderson A. D. Surface roughness effect. Boundary layer transition data correlation and analy-sis // PANT. 1974. Part III, SAMSO TR-74-86.
33. Carver D. B. Heat Transfer, Surface Pressure and Flow Field Surveys on Conic and Biconic Models with Boundary Layer Trips at Mach 8—Phases IV and V.//Calspan/AEDC Div., Rept. AEDCTSR-80-V14, 1980.
34. Kimmel R.L., Adamczak D., and Brisbane DSTO-AVD Team HIFire-1 Preliminary Aerothermodynamic Experiments 2011 AIAA 2011-3413
35. Stanfield S.A., Kimmel R., and Adamczak D. 2012 HIFiRE-1 Data Analysis: Boundary Layer Transition Experiment During Reentry 2012 AIAA 2012-1087
36. Wadhams T., Mundy E., MacLean M., Holden M. Ground Test Studies of the HIFire-1 Transi-tion Experiment. Part 1: Experimental Results. 2008 J. of Spacecraft and Rockets. Vol.45. No.5. pp 1134-1148.
37. MacLean M., Wadhams T., Holden M., Hohnson H. Ground Test Studies of the HIFire-1 Tran-sition Experiment. Part 2: Computational Analysis. 2008 J. of Spacecraft and Rockets. Vol.45. No.5. pp 1149-1164.
38. Суржиков С.Т. Расчетный анализ экспериментальных данных по аэротермодинамике гиперзвукового аппарата HIFiRE-I//ДАН, 2020, Т.495, С. 68-72.
39. Wright R. L., Zoby E. V. Flight Boundary Layer Transition Measurements on a Slender Cone at Mach 20 // AIAA Paper 77-719, 1977, https://doi.org/10.2514/6.1977-719
40. Howard F.G. Thermal Analysis Methods and Basic Heat Transfer Data for a Turbulent Heating Flight Experiment at Mach 20 (Reentry-F)// NASA TM X-2282. 1971. 139 p.
41. Papp J.L., Dash S.M. Rapid Engineering Approach to Modeling Hypersonic Laminar-to- Tur-bulent Transition Flows//JSR. 2005. Vol.42. No.3. P.467-475.
42. Thompson R. A., Zoby E. V., Wurster K. E. Aerothermodynamic study of slender conical vehi-cles. JTHT, 1989, vol. 3, no. 4, pp. 361−367.
43. Wurster K. E., Z oby E.V., Thompson R.A. Flowfield and Vehicle Parameter Influence on Results of Engineering Aerothermal Methods//JSR. 1991. Vol. 28, No. 1, pp 16−22.
44. Nagano Y., Hishida M. Improved Form of the Model for Wall Turbulent Shear Flows// Journal of Fluid Engineering. 1987. Vol.109. pp.156-160.
45. Menter F.L. Two-Equation Eddy-Viscosity Turbulent Models for Engineering Applications. 1994 AIAA J. Vol.32 No.8 pp 1598-1605
46. Сайпракаш M., Сентилкумар С., Кадамсунил Г., Рампратап С.П., Шанмугам В., Балу Г. Исследование обтекания тонких тел при гиперзвуковых числах Маха// Изв. РАН. МЖГ. 2021. № 2. с. 110–116.
47. Суржиков С. Т. Численное моделирование ударно-волнового взаимодействия с ламинар-ным пограничным слоем при гиперзвуковом обтекании моделей с изломом образую-щей//Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2019. Т.20, вып. 4. http://chemphys.edu.ru/issues/2019-20-4/articles/892/