Stream Angle Effect on Thermal Radiation of Gas and Multiphase Jet


View article
PDF, 2.6 MB


A 3D simulation method for calculating the gas dynamics and radiation of chemically and thermally non-equilibrium multiphase and gas flows has been developed. The gas-dynamic model includes the equations for the vibrational energy considering V-T, V-V and V-V' processes for various vibrational modes. The mathematical model of multiphase flows takes into account the mutual thermal and dynamic impact of solid&liquid particles and gas as well as the phase transition of the particles. The radiation model is based on the method of k-distribution for the vibrational non-equilibrium gas, which uses the special formulas for average transmittance and effective Planck function. The comparison of test simulations with the results of other authors showed a satisfactory agreement. There is a significant increase in thermal radiation intensity when the attack angle of the free-stream flow is increased. When calculating the jets at heights of over 100 kilometers it is essential to consider the real chemical composition of the atmosphere.

vibrationally nonequilibrium gas, radiation, multiphase


Volume 17, issue 3, 2016 year


Влияние угла атаки на тепловое излучение газовой и многофазной струи

Разработана трехмерная методика расчета газодинамики и излучения термически и химически неравновесных газовых и гетерогенных потоков. Газодинамическая модель включает в себя уравнения для колебательных энергий, учитывающие V-T, V-V и V-V' процессы для различных колебательных мод. Математическая модель многофазных потоков учитывает взаимное термическое и динамическое влияние твердых/жидких частиц и газа, фазовые преобразования частиц. Модель излучения основана на методе k-распределения для колебательно неравновесного газа, в которой используются специальные формулы для средних по полосе пропускательной способности и эффективной функции Планка. Сопоставление расчетов тестовых задач с результатами других авторов показало удовлетворительное согласование. Показан существенный рост интенсивности теплового излучения при увеличении угла атаки набегающего потока. При расчете струй на высотах больше 100 км большую роль играет учет реального химического состава атмосферы.

колебательная неравновесность, излучение, многофазные потоки


Volume 17, issue 3, 2016 year



1. Anfimov, N. A., Karabadjak, G. F., Khmelinin, B. A., Plastinin, Y. A., and Rodinov, A. V., “Analysis of Mechanisms and Nature of Radiation from Aluminum Oxide in Different Phase States in Solid Rocket Exhaust Plumes,” AIAA Paper 93-2818, 1993
2. Rodionov A., Plastinin Yu., Drakes J., Simmons M., and Hiers, III. R. "Modeling of multiphase alumina-loaded jet flow fields", AIAA Paper 98-3462, 1998.
3. Plastinin Yu.A. The radiation modeling of chemically reacting two-phase supersonic underexpanded jets. Kosmonavyika i Raketostroenie. No.3 (36), 2004, p.18-26.
4. Zavelevich F.S., Molchanov A.M., and Ushakov N.N. "Computation of Gas and Multiphase Supersonic Jets with Nonequilibrium Processes", Journal of Thermophysics and Heat Transfer, Vol. 29, No. 3 (2015), pp. 587-593.
6. Burt J.M. and Boyd I.D. "High Altitude Plume Simulations for a Solid Propellant Rocket", AIAA Journal, Vol. 45, No. 12 (2007), pp. 2872-2884.
8. Molchanov A.M. Thermal radiation simulation of vibrationally nonequilibrium gas using k-distribution method. //Physical-Chemical Kinetics. 2015. v.16, No.1. http://chemphys.edu.ru/issues/2015-16-1/articles/317/
9. Wilke C.R. “A Viscosity Equation for Gas Mixtures // Journal of Chemical Physics,” 1950. Vol. 18. No. 4. PP. 517-519.
10. Blottner F. G., Johnson M., Ellis M. “Chemically Reacting Viscous Flow Program for Multi-Component Gas Mixtures,” Sandia Laboratories, Albuquerque, NM, Kept. SC-RR-70-754. Dec.1971.
11. McBride B.J., Gordon S., Reno M.A., "Coefficients for Calculating Thermodynamic and Transport Properties of Individual Species," NASA Technical Memorandum 4513, October 1993.
12. Molchanov A.M. and Bykov L.V. “Three-Equation K-ε-Vn Turbulence Model for High-Speed Flows,” AIAA Paper 2013-3181. 30 pp.
14. Leone S.R. “Rate Coefficients for Vibrational Energy Transfer Involving the Hydrogen Halides,” Journal of Physical and Chemical Reference Data, Volume 11, Issue 3, July 1982, pp.953-996.
16. Henderson, C. B., "Drag Coefficient of Spheres in Continuum and Rarefied Flows," AIAA Journal, Vol. 14, No. 6, June 1976, pp. 707-708.
18. Molchanov A.M. “ Numerical Simulation of Supersonic Chemically Reacting Turbulent Jets,” 2011. AIAA Paper 2011-3211, 37p.
19. Connaire M.O., Curran H.J., Simmie J.M., Pitz W.J., Westbrook C.K. “A Comprehensive Modeling Study of Hydrogen Oxidation. International Journal of Chemical Kinetics,” 2004. Vol. 36. P.603-622.
20. Denison J.J., Lamb W.D., Bjorndahl E.Y., Wong and Lohn P.D. “Solid Rocket Exhaust in the Stratosphere: Plume Diffusion and Chemical Reactions,” Journal of Spacecraft and Rockets, Vol. 31, 1994, P.435-442.
22. Vitkin E. I., Karelin V. G., Kirillov A. A, Suprun A. S. and Khadyka Ju. V. “A Physico-Mathematical Model of Rocket Exhaust Plumes,” Int. J. Heat Mass Transfer. Vol.40, No 5. pp.1227-1241. 1997.
23. Blauer J.A., Nickerson G.R. “A Survey of Vibrational Relaxation Rate Data for Processes Important to CO2-N2-H2O Infrared Plume Radiation,” Ultrasystems, Incorporated, Technical rept. Report Number 0455177. 1973. 72p.
24. Ачасов О.В., Рагозин Д.С. Константы колебательного энергообмена в лазерно-активных средах СО2-ГДЛ с добавками 02, #2, Н20, СО. Препринт № 16, ИТМО, Минск, Белоруссия, 1986.
25. Булгакова Н.М. Физико-химическое взаимодействие молекулярных газов с газом верхней атмосферы. Диссертация на соискание ученой степени к.ф.-м.н., Новосибирск, Институт теплофизики СО РАН, 1985. -177с.