ТЕХНІЧНА МЕХАНІКА
ISSN 1561-9184 (друкована версія), ISSN 2616-6380 (електронна версія)

ГОЛОВНА    ПРО ЖУРНАЛ    РЕДКОЛЕГІЯ    АВТОРАМ    ПОТОЧНИЙ ВИПУСК    АРХІВ    КОНТАКТИ

УДК 519.245: 539.196.3: 533.(17+5+72)

Технічна механіка, 2024, 3, 86 - 96

ВЕРИФІКАЦІЯ АЛГОРИТМУ МЕТОДУ ПРОБНИХ ЧАСТИНОК НА ЗАДАЧІ ОСЬОВОГО ОБТІКАННЯ КОНУСА РОЗРІДЖЕНИМ ГАЗОВИМ СТРУМЕНЕМ

DOI: https://doi.org/10.15407/itm2024.03.086

Печериця Л. Л.

Печериця Л. Л.
Інститут технічної механіки Національної академії наук України і Державного космічного агентства України,
Україна

      Об’єктом дослідження є аеродинамічний розрахунок надзвукових газових струминних потоків та визначення їх силового впливу на обтічні перешкоди. Метою роботи є розвиток статистичного методу пробних частинок (МПЧ) для чисельного моделювання надзвукових газових струменів в широкому діапазоні режимів течії. В основу роботи покладена ідея комбінованого підходу, а саме використання розподілу газодинамічних параметрів на зрізі сопла або на умовній межі виходу зі щільного ядра струменя в якості вхідних даних для МПЧ, алгоритм якого для однорідних газових потоків попередньо був перероблений і пристосований для розрахунку струминних течій. Застосування комбінованого підходу, що поєднує методи розв’язання рівнянь континуальної аеродинаміки (всередині та поблизу сопла, де реалізується суцільносередовищна течія) і МПЧ (в зонах, де рух описується на молекулярно-кінетичному рівні), дозволить вирішувати задачі витоку надзвукових струменів довільної ступені розрідженості.
      Тестування розробленого струминного алгоритму МПЧ проводилося для набуття впевненості у його надійності на задачі гіперзвукового осьового обтікання конуса. На початковому етапі застосування комбінованого підходу було розглянуто досить розріджений газовий струмінь, для якого в якості вхідних даних МПЧ можуть використовуватися газодинамічні параметри витоку на зрізі сопла. Проведено розрахунки розподіленого силового навантаження по поверхні обтічного конуса та статичного тиску перед ним. Встановлено задовільну відповідність між отриманими результатами МПЧ і наявними даними прямого моделювання Монте-Карло та експериментальними вимірюваннями. Зроблено висновок, що використання в якості початкових даних МПЧ розподілу вектора швидкості і густини струминного потоку на виході з континуальної зони, отриманих шляхом рішення рівнянь Нав'є–Стокса, значно поліпшить очікувані результати.
      Застосування МПЧ для аеродинамічного розрахунку газових струменів в Україні проводиться вперше. Перевагою МПЧ є економія обчислювальних ресурсів: розрахунковий час МПЧ залежить від багатьох факторів, але він у багато разів менший за потреби прямого моделювання Монте-Карло.
     

динаміка розрідженого газу, струминна течія, статистичне моделювання, метод пробних частинок, чисельні розрахунки, режими обтікання, газодинамічні параметри, силове навантаження, обтічні перешкоди

1. Басс В. П. Газодинамические аспекты формирования собственной внешней атмосферы космических аппаратов, движущихся в верхних слоях атмосферы. Наблюдения искусственных спутников Земли. Публикация научных результатов сотрудничества Интеркосмос. 1986. Вып. 24. С. 158–179.

2. Davis D. H. Monte Carlo Calculation of Molecular Flow Rates through a Cylindrical Elbow and Pipes of Other Shapes. J. Appl. Phys. 1960. 31, iss. 7. P. 169–1176. https://doi.org/10.1063/1.1735797

3. Fan C., Gee C., Fong M. C. Monte Carlo Simulation for Backscatter of Outgassing Molecules from Simple Spacecraft Surfaces. J. Spacecr. Rocket. 1994. V. 31, N 4. P. 649. https://doi.org/10.2514/3.26491

4. Tuer T. W., Springer G. S. A Test Particle Monte Carlo Method. Computers & Fluids. Pergamon Press. 1973. V. 1, Iss. 4. P. 399–417. https://doi.org/10.1016/0045-7930(73)90006-6

5. Plotnikov M., Shkarupa E. Construction of an upper error bound and optimization of the test particle method. Russian Journal of Numerical Analysis and Mathematical Modelling. 2008. V. 23, N 3. P. 251–264. https://doi.org/10.1515/RJNAMM.2008.016

6. Xu-Hong J., Fei H., Xiao-Li Ch., Qiang W., Bing W. Numerical Analysis of Flows Past Two Parallel Flat Plates in the Free-Molecular Regime. International Journal of Modern Physics B. 2020. V. 34, Iss. 14. 6 p. https://doi.org/10.1142/S0217979220401207

7. Xu-Hong J., Fei H. Zhi Ch., Xiao-Li Ch. Test Particle Monte Carlo Simulation of Return Flux on Various Geometric Surfaces Due to Ambient Scatter of Outgassing Molecules. Procedia Engineering: APISAT. 2015. V. 99. P. 1465–1470. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2014.12.686

8. Liu B., Ma Y., Guo D., He P. 3-D Pressure Distribution in Molecular Gas Flow Vacuum System: A Simulation Study in Event-Triggering Test Particle Monte Carlo Method. Journal of Vacuum Science and Technology. 2018. V. 38, Iss. 5. P. 363–368. https://doi.org/10.13922/j.cnki.cjovst.2018.05.03

9. Xu-Hong J., Fei H., Xiao-Li Ch., Qiang W. and Bing W. Monte Carlo Simulation for Aerodynamic Coefficients of Satellites in Low-Earth Orbit. Acta Astronautica. 2019. V. 160. P. 222–229. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2019.04.012

10. Sheridan P. L., Paul S. N., Avendano-Franco G., Mehta P. M. Updates and Improvements to the Satellite Drag Coefficient Response Surface Modeling Toolkit. Advances in Space Research. 2022. V. 69, Iss. 10. P. 3828–3846. https://doi.org/10.1016/j.asr.2022.02.044

11. Luo X., Day Chr. Investigation of a new Monte Carlo method for the transitional gas flow. AIP Conference Proceedings: 27th International Symposium on Rarefied Gas Dynamics, Pacific Grove, Calif., July 10-15, 2011. V. 1333, Iss. 1. P. 272–276. https://doi.org/10.1063/1.3562660

12. Печерица Л. Л., Палий А. С. Применение метода пробных частиц к аэродинамическому расчету КА. Техническая механика. 2017. № 3. С. 53–63. https://doi.org/10.15407/itm2017.03.053

13. Bird G. A. Molecular Gas Dynamics and the Direct Simulation of Gas Flows. Oxford: Oxford University Press, 1994. 458 p. https://doi.org/10.1093/oso/9780198561958.001.0001

14. Гришин И. А., Захаров В. В., Лукьянов Г. А. Параллелизация по данным прямого моделирования Монте-Карло в молекулярной газовой динамике. Препринт. Ин-т Высокопроизводительных Вычислений и Баз Данных. С.-Петербург. 1998. № 3. 32 с.

15. Charton V., Awad A., Labaune J. Optimisation of a Hybrid NS-DSMC Methodology for Continuous-Rarefied Jet Flows. Acta Astronautica. 2022. V. 195. P. 295–308. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2022.03.012

16. Shen Y., Zhang J., Xu X., Liu J., Zhang Z., Jiao Y. Investigation on the Opposing Jet in the Hypersonic Rare?ed Flow over a Vehicle Based on the DSMC Method. Actuators. 2022. V. 11, № 6. Р. 164. https://doi.org/10.3390/act11060164

17. Wang H., Lai B., Qu Z., Ming P. Moving Impingement Heat Transfer in a Three-Dimensional Rare?ed Hydrogen Gas Jet Based on the Direct Simulation Monte Carlo Method Coupled with the Finite Difference Method. Int. J. Heat Mass Transf. 2022. V. 188. 122586. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2022.122586

18. White C., Borg M. K., Scanlon T. J., Longshaw S. M., John B., Emerson D. R., Reese J. M. DSMS Foam+: An OpenFOAM based direct simulation Monte Carlo solver. Computer Physics Communications. 2018. V. 224. P. 22–43. https://doi.org/10.1016/j.cpc.2017.09.030

19. Tuer T. W. A Test Particle Monte Carlo Method with Application to the Free Jet Expansion Problem. Ph. D of Philosophy (Mechanical Engineering) Thesis. The University of Michigan. 1973. V. 1. Р. 393–417. https://doi.org/10.1016/0045-7930(73)90006-6

20. He B., Zhang J., Cai G. Research on Vacuum Plume and its Effects. Chin. J. Aeronaut. 2013. V. 26. P. 27–36. https://doi.org/10.1016/j.cja.2012.12.016

21. Bi H., Zhang Y., He Z., Zuo G. A Coupled NS-DSMC Method Applied to Supersonic Molecular Beam and Experimental Validation. Vacuum. 2023. V. 214 (12-13). Р. 112228. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2023.112228

22. Kumar V., Bhandarkar U. V., Singh R. K., Sharma A. Cartesian Grid-Based Hybrid NS-DSMC Methodology for Continuum-Rarefied Gas Flows around Complex Geometries, Numerical Heat Transfer, Part B: Fundamentals. An International Journal of Computation and Methodology. 2023. V. 85. Iss. 7. P. 1–23. https://doi.org/10.1080/10407790.2023.2257385

23. Печериця Л. Л., Сміла Т. Г. Застосування статистичного методу пробних частинок для моделювання розріджених струминних течій у вакуумі. Космічна наука і технологія. 2023. Вып. 29, № 4 (143). С. 12–23. https://doi.org/10.15407/knit2023.04.012

24. Сміла Т. Г., Печериця Л. Л. Застосування числових методів газодинамічних розрахунків в задачах обтікання перешкод розрідженим струминним потоком. Технічна механіка. 2022. № 2. С. 71–86. https://doi.org/10.15407/itm2022.02.071

25. Boyd I. D., Penko P. F., Cone D. L., Howell T. G. Preliminary Experimental and Numerical Studies of Plume Impingement on a 100 Degree. AIAA Paper 94-3142, 30th AIAMASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. Indianapolis, June 27-29, 1994. P. 1–10.

26. Boyd I. D, Penko P. F., Meissner D. L., De Witt K. J. Experimental and Numerical Investigations of Low-Density Nozzle and Plume Flows of Nitrogen. AIAA Journal. 1992. V. 30, Iss. 10. P. 2453–2461. https://doi.org/10.2514/3.11247

27. Kannenberg K. C. Computational Methods for the Direct Simulation Monte Carlo Technique with Application to Plume. PhD Dissertation. Cornell University, 1998. 154 p.

Copyright (©) 2024 Печериця Л. Л.

Copyright © 2014-2024 Технічна механіка