Verification of calculated characteristics of supersonic turbulent jets

Abstract

В статье приводятся результаты верификационных расчетов в программном комплексе вычисли-тельной аэро-, гидродинамики FlowVision характеристик сверхзвуковых турбулентных струй. Численное моделирование в статье охватывает несколько известных экспериментов по исследованию сверхзвуко-вых струй, находящихся в свободном доступе. Представленные тестовые случаи включают в себя тесты Сейнера с числом Маха на срезе М = 2 при расчетном (n = 1) и нерасчетном (n = 1.47) истечении из сопла в широком диапазоне температур газа. В работе также проведен численный эксперимент по распростра-нению сверхзвуковой струи в спутном сверхзвуковом потоке М = 2.2. Для данного теста заданы парамет-ры, определенные в эксперименте Putnam: степень понижения давления в сопле NPR = 8.12 и полная температура T = 317 K.Показано сравнение расчетов FlowVision с экспериментальными и полученными в других расчет-ных кодах данными. Наилучшее совпадение с экспериментом Сейнера среди рассмотренных моделей турбулентности получено при использовании стандартной k-ε модели турбулентности с установленной поправкой на сжимаемость по модели Wilcox. Достигнуто согласование с экспериментальными данными на дальнем следе до 7 % по скорости потока на оси сопла. Для струи в спутном потоке расчетная харак-теристика (число Маха) отличается на 3 % от экспериментальной.В работе определены общие рекомендации к построению методики моделирования FlowVision сверхзвуковых турбулентных струй. В ходе исследования сходимости по сетке получены оптимальные размеры ячеек расчетной сетки: для расчетного истечения достаточно 40 ячеек по радиусу сопла и в об-ласти формирования струи, а для нерасчетных режимов необходимо не менее 80 ячеек по радиусу для точного моделирования ударно-волновой структуры вблизи выхода из сопла.Влияние применяемых моделей турбулентности показано на примере расчета теста Сейнера. SST-модель турбулентности, применяемая в FlowVision, существенно занижает скорость на оси сопла, для расчета струй данная модель не рекомендуется даже для предварительных оценок. Стандартная k-ε мо-дель без учета сжимаемости также несколько занижает скорость газа. Модель турбулентности KEFV, разработанная для FlowVision, показывает хорошее согласование и несколько завышает «дальнобой-ность» струи. И наилучшее совпадение с экспериментом по исследуемым характеристикам турбулент-ных струй получено при расчетах на стандартной k-ε модели с учетом сжимаемости, соответствующей модели Wilcox. Представленная методика может быть взята за основу при моделировании истечения из сверхзвуковых сопел более сложной геометрии.Ключевые слова: турбулентные струи, сверхзвуковое истечение из сопла, численное моделиро-вание.