ГІДРОДИНАМІКА І АКУСТИКА

2022 ◊ Том 2 (92) ◊ Номер 3 ◊ с. 229-255

І. В. Вовк^*, В. С. Малюга^*

^* Інститут гідромеханіки НАН України, Київ, Україна

Розрахунок турбулентних пульсацій тиску в примежовому шарі ракети

Gidrodin. akust. 2022, 2(3):229-255

МОВА ТЕКСТУ: Українська

АНОТАЦІЯ

У статті розроблено методику чисельного моделювання аеродинамічного обтікання ракети в транс- та надзвуковому режимах польоту. Проведено чисельні розрахунки характеристик такої течії. Зокрема, отримано оцінки розподілу пристінкових пульсацій тиску, що діють на головну частину ракети. Розроблений алгоритм чисельного моделювання належить до класу гібридних напівемпіричніх методів. Цей алгоритм розбиває задачу на два етапи. На першому з них чисельно моделюється аеродинаміка транс- та надзвукового обтікання ракети повітрям, розраховуються характеристики турбулентного примежового шару, такі як товщина примежового шару, дотичні напруження на стінці, динамічна швидкість, число Рейнольдса в примежовому шарі, густина повітря на стінці обтічника ракети. На другому етапі на основі напівемпіричних співвідношень проводиться аналіз спектральних щільностей середньоквадратичних значень пульсацій тиску. При моделюванні надзвукового потоку чисельно розв'язуються рівняння руху стисливої рідини, осереднені за Рейнольдсом, які доповнюються рівнянням неперервності. При моделюванні турбулентності використовується стандартна k-ε модель. У роботі особлива увага приділяється аналізу характеристик турбулентного примежового шару. Для цього поблизу поверхні обтічника будується дуже детальна сітка. Рівняння руху розв'язуються методом скінченних об'ємів. Розраховані характеристики примежового шару використовуються для аналізу спектральних щільностей середньоквадратичних значень пульсацій тиску. Розподіл рівнів турбулентних пульсацій в третинно-октавному частотному діапазоні обчислювався з використанням універсальних напівемпіричних залежностей. Запропонована методика реалізована програмно із застосуванням тулбоксу з відкритим кодом OpenFOAM. У якості солверів (розв'язників) OpenFOAM пропонує sonicFoam і rhoCentralFoam, призначені для моделювання задач транс- і надзвукового ламінарного або турбулентного стисливого потоку. Вони відрізняються між собою базовими алгоритмами. SonicFoam побудовано на основі алгоритму обчислення тиску, а rhoCentralFoam - на основі алгоритму обчислення густини. У даній роботі використовувався солвер sonicFoam. Задача розглядалась у рамках моделі ідеального газу. В розробленій методиці застосовано техніка паралельних обчислень. Розпаралелювання обчислень проводилось на основі протокола MPI і принципу геометричного паралелізму. Розрахунки проводились на кластерному суперкомп'ютері Інституту кібернетики НАН України.

КЛЮЧОВІ СЛОВА

примежовий шар, турбулентні пульсації, надзвукове обтікання ракети, OpenFOAM

ЛІТЕРАТУРА