О двухмерном численном моделировании
экспериментальных данных Берроуса-Куркова по горению водорода в сверхзвуковом потоке воздуха с использованием уравнений Навье-Стокса
On two-dimensional numerical modeling of the Burrows-Kurkov experimental data on hydrogen combustion in a supersonic air flow using
NS/RANS equations
Using the two-dimensional computer code NERAT-2D, a computational analysis of experimental data on the ignition of a hydrogen jet in a concurrent flow of moist air has been performed. For a numerical study, experimental data were selected [Burrows M.C., Kurkov A.P., An analytical and experimental study of supersonic combustion of hydrogen in the vitiated air stream. AIAA J. 1973. No.11. P.1217–1218], which have been used for several decades to validate computer codes and physicochemical models of hydrogen combustion in air. Used computer code NERAT-2D implements the numerical integration of two-dimensional Navier-Stokes equations on structured multi-block grids. The problem is solved on a sequence of calculation grids without and using Reynolds averaging. The 8-reaction kinetic Evans-Schexnayder model of combustion of molecular hydrogen in hot humid air was used. It is shown that on relatively coarse computational grids, the calculated limit of ignition of a hydrogen jet in an airflow significantly exceeds that measured in the experiment. On detailed computational grids, an unsteady motion of an ignitable hydrogen jet is observed, and the ignition boundary corresponds with good accuracy to the experimental one. As an appendix to the article, a number of animation files are presented that illustrate the unsteady combustion of a hydrogen jet in a co- currents flow of moist air.
supersonic combustion, hydrogen jet, ignition delay, vitiated air stream
С использованием двухмерного компьютерного кода NERAT-2D выполнен расчетный анализ экспериментальных данных по воспламенению водородной струи в спутном потоке влажного воздуха. Для численного исследования выбраны экспериментальные данные [Burrows M.C., Kurkov A.P., An analytical and experimental study of supersonic combustion of hydrogen in vitiated air stream. AIAA J. 1973. No.11. P.1217–1218], которые несколько десятилетий используются для валидации компьютерных кодов и физико-химических моделей горения водорода в воздухе. В компьютерном коде NERAT-2D реализовано численное интегрирование двухмерных уравнений Навье-Стокса на структурированных многоблочных сетках. Задача решена на последовательности измельчаемых сеток без использования и с использованием усреднения по Рейнольдсу (RANS). Использована 8-ми реакционная кинетическая модель Эванса-Шекснайдера горения молекулярного водорода в горячем влажном воздухе. Турбулентное смешение моделировалось посредством алгебраической и k- - моделей турбулентности. Показано, что на относительно грубых расчетных сетках определяемая в расчетах граница воспламенения водородной струи в потоке воздуха значительно превышает измеренную в эксперименте. На подробных расчетных сетках наблюдается нестационарное движение воспламеняемой струи водорода, а граница воспламенения с хорошей точностью соответствует экспериментальной. Использование моделей турбулентного смешения также позволяет получить удовлетворительное описание экспериментальных данных. В качестве приложения к статье представлен ряд анимационных файлов, иллюстрирующих нестационарный процесс горения водородной струи в спутном потоке влажного воздуха.
горение при сверхзвуковой скорости, водородная струя, задержка воспламенения, влажный поток воздуха
1. Seleznev R.K., Surzhikov S.T., Shang J.S. A review of the scramjet experimental data-base // Progress in Aerospace Sciences. 2019. Vol.106. P.43-70. https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2019.02.001 2. Burrows M.C., Kurkov A.P. Supersonic Combustion of Hydrogen in a Vitiated Air Stream Using Stepped-Wall Injection, (1971), p. 15 NASA TM X-67840. 3. Burrows M.C., Kurkov A.P. An analytical and experimental study of supersonic com-bustion of hydrogen in vitiated air stream//NASA TM X-2828. 1973. 24 p. 4. Burrows M.C., Kurkov A.P. An analytical and experimental study of supersonic com-bustion of hydrogen in vitiated air stream//AIAA J. 11 (1973) 1217–1218, https://doi.org/10.2514 /3.50564. 5. Evans J.S., Schexnayder C.J. Influence of chemical kinetics and unmixedness on burning in supersonic hydrogen flames//AIAA J. 18 (1980) 188–193, https://doi. org/10.2514/3.50747 . 6. Patankar S.V., Spalding D.B. Heat and Mass Transfer in Boundary Layers. 2nd Edition, 1970. International Textbook Co., Ltd., London. 7. Dush S., Weilerstein G., Vaglio-Laurin R. Compressibility Effects in Free Turbulent Shear Flows. AFOSR TR-75-1436. 1975. 8. Evans J.S., Schexnayder C.J., Beach H.L. Application of a Two-Dimensional Parabolic Computer Program to Prediction of Turbulent Reacting Flows. NASA TP-1169. 1978. 9. Громов В.Г., Ларин О.Б., Левин В.А. Турбулентное горение водорода в пристенной струе, истекающей в спутный поток// ФГВ. 1987. №6. С.3-9. 10. Duff R.E. Calculation of Reaction Profiles behind Steady-State Shock Waves. I. Application to Detonation Waves// J. Chem. Phys. 1958, 28, 6, 1193. 11. Jones W.P., Launder B.E. The prediction of laminarization with a two-equation model of turbulence// Int. Journal Heat and Mass Transfer. 1972. Vol.15. P.301-314. 12. Engblom W., Frate F., Nelson C. Progress in Validation of Wind-US for Ramjet/ Scram-jet Combustion// AIAA-2005- 1000. https://doi.org/10.2514/6.2005-1000 13. Jachimowski C.J. An Analytical Study of the Hydrogen-Air Reaction Mechanism with Application to Scramjet Combustion, (1988) NASA Technical Paper 2791 14. Westbrook C.K., Dryer F.L. Simplified Reaction Mechanisms for the Oxidation of Hy-drocarbon Fuels in Flames// Combustion Science and Technology. 1981. Vol.27. P.31-43. 15. Deepu M.N., Gokhale S.S., Jayaraj S. Numerical simulation of supersonic combustion using unstructured point implicit finite volume method//J. Combust. Soc. of Japan. 48 (2006) 187–197, https://doi.org/10.1142/S0219876207001060. 16. Yakhot V., Orszag S. A., Thangam S., Gatski T. B. and Speziale C. G. Development of turbulence models for shear flows by a double expansion technique// Phys. Fluids A 4, 1992. P. 1510; doi: 10.1063/1.858424 17. Deepu M.N., Gokhale S.S., Jayaraj S. Numerical modelling of scramjet combus-tor//Defence Science Journal. 2007. Vol.57. No.4. P. 367-379 18. Brinckman K.W., Calhoon W.H., Mattick Jr S.J., Tomes J., Dash S.M. Scalar variance model validation for high-speed variable composition flows// AIAA 2006-715. 14 p. 19. Calhoon W.H., Brinckman K.W., Tomes J., Mattick Jr S.J., Dash S.M. Scalar fluctuation and transport modeling for application to high speed reacting flows // AIAA 2006-1452. 13 p. 20. Bhagwandin V.A., Engblom W.A., Georgiades N.J. Numerical simulation of a hydrogen-fueled dual-mode scramjet engine using Wind-US//AIAA 2009-5382. 24 p. 21. Ebrahimi H.B. CFD validation of scramjet combustor and nozzle flows. Part 1. AIAA 93-1840. 16 p. 22. Gao Z., Jiang C., Pan S., Lee C.-H. Combustion heat-release effects on supersonic com-pressible turbulent boundary layers//AIAA J. 53 (2015) 1–20, https://doi.org/ 10.2514/1.J053585. 23. Spiegler E., Wolfshtein M., Manheimer-Timnat Y. A model of unmixedness for turbulent reacting flows// Acta Astronautica. 1976. Vol.3. pp. 265-280. 24. Menter F.R. Two-Equation Eddy-Viscosity Turbulence Models for Engineering Applica-tions// AIAA J., 1994. Vol.32. No.8. pp.1598-1605. doi: 10.2514/3.12149 25. Edwards J.R., Boles J.A., Baurle R.A. Large-eddy/Reynolds-averaged Navier–Stokes simulation of a supersonic reacting wall jet//Combust. Flame. 2012. Vol.159. P.1127–1138. https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2011.10.009. 26. Суржиков С.Т. Компьютерная аэрофизика спускаемых космических аппаратов. Двухмерные модели. М.: Физматлит, 2018. 543 с. 27. Суржиков С.Т. Моделирование радиационно-конвективного нагрева модельных камер ПВРД на водородном и углеводородном топливе. //Физико-химическая ки-нетика в газовой динамике. 2014, Том15, Вып.3. 28. Суржиков С.Т. Анализ экспериментальных данных по конвективному нагреву мо-дели марсианского спускаемого аппарата с использованием алгебраических моде-лей турбулентности // МЖГ, 2019, №6, С.129-140. 29. Суржиков С.Т. Турбулентный теплообмен на поверхности острой пластины при сверхзвуковом обтекании при M = 6 ÷ 8// Физико-химическая кинетика в газовой динамике 2019 Т.20(4) http://chemphys.edu.ru/issues/2019-20-4/articles/890/ 30. Гурвич Л.В., Вейц И.В., Медведев В.А. и др. Термодинамические свойства инди-видуальных веществ. М.: Наука. 1978. 495 с. 31. Берд Р., Стьюарт В., Лайтфут Е. Явления переноса. М.: Изд-во «Химия». 1974. 687 с. 32. Анфимов Н.А. Ламинарный пограничный слой в многокомпонентной смеси газов// Изв. АН СССР. Механика и машиностроение. 1962. № 1. С.2531. 33. Tannehill J.C., Anderson D.A., Pletcher R.H. Computational Fluid Mechanics and Heat transfer. 1997. Taylor&Francis. 792 p.
