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

ГОЛОВНА    ПРО ЖУРНАЛ    РЕДКОЛЕГІЯ    АВТОРАМ    ПОТОЧНИЙ ВИПУСК    АРХІВ    КОНТАКТИ

UDC 533.6.013.14 : 629.1.025.3

Технічна механіка, 2023, 1, 40- 53

ХВИЛЬОВА СТРУКТУРА ГАЗОВОГО ПОТОКУ В УКОРОЧЕНОМУ СОПЛІ З ДОВГИМ ДЗВОНОПОДІБНИМ НАКОНЕЧНИКОМ

DOI: https://doi.org/10.15407/itm2023.01.040

Стрельников Г. О., Прядко Н. С., Тернова К. В.

Стрельников Г. О.
Інститут технічної механіки Національної академії наук України і Державного космічного агентства України,
Україна

Прядко Н. С.
Інститут технічної механіки Національної академії наук України і Державного космічного агентства України,
Україна

Тернова К. В.
Інститут технічної механіки Національної академії наук України і Державного космічного агентства України,
Україна

      В останні роки все більше уваги привертають сопла з нетрадиційним контуром, що відрізняються від контуру класичного сопла Лаваля, спрофільованого за лініями струму. У таких соплах поля течії, як правило, включають надзвукові і дозвукові потоки, що взаємодіють, найчастіше з рециркуляційними областями і складною хвильовою структурою потоку.
      У цій роботі чисельно досліджується хвильова структура течії газу в надзвуковому укороченому соплі з дзвоноподібним насадком еліптичної форми та великої довжини (порівняно з конічною ділянкою на вході в насадок). Моделюється потік газу всередині сопла та у зовнішньому просторі з використанням пакету прикладних програм «ANSYS». Розрахунки проведені в нестаціонарній вісьосиметричній постановці на основі усереднених за Рейнольдсом рівнянь Навье–Стокса, замкнених з використанням SST-моделі турбулентності з функціями пристінок і поправкою на стисливість. У розрахунках варіювались тиски на вході в сопло та зовнішнього середовища. Коректність методичних підходів до вирішення завдання досліджень верифікована у попередніх роботах авторів.
      Результати досліджень показали таке. При невеликих значеннях тиску на вході в сопло (Р0<50 бар) та зовнішньому тиску 1 бар на стінці насадка існує розвинена відривна зона з великомасштабним і дрібномасштабним (в області зрізу насадка) вихорами. В області першої «бочки» потоку газу із сопла існує «сідлоподібна» хвильова структура стиснення малої інтенсивності. При відривній течії тиск на стінці в зоні відриву на ~ 15 % менше тиску зовнішнього середовища. При Р0>100 бар тиск у потоці на стінці насадка змінюється практично пропорційно тиску на вході в сопло. При роботі у верхніх шарах атмосфери статичний тиск газу у поперечному перерізі на зрізі насадка монотонно зменшується, починаючи від осі сопла до точки мінімуму значення тиску, потім лінійно зростає до максимального значення на стінці насадка. При відривній течії в насадку при роботі на рівні моря статичний тиск газу у вказаному перерізі має такий же характер для вхідного тиску Р0>50 бар. При Р0=50 бар існує дві точки зміни характеру статичного тиску: від осі тиск монотонно зменшується до мінімуму значення у першій точці, яка знаходиться ближче до осі потоку, далі тиск збільшується до другої додаткової точки, в якій тиск досягає максимального значення і далі незначно зменшується до стінки насадку.
     

укорочене надзвукове сопло, дзвоноподібний насадок, розподіл статичного тиску, ударна хвиля, тиск зовнішнього середовища

1. Emelyanov V. N., Volkov K. N., Yakovchuk M. S. Unsteady Flow in a Dual-Bell Nozzle with Displacement of an Extendible Section from the Initial to Working Position. Fluid Dynamics. 2022. Vol. 57. Suppl. 1. P. 35–45. https://doi.org/10.1134/S0015462822601267

2. Genin Ch., Stark R. Experimental Study on Flow Transition in Dual Bell Nozzles. Journal of Propulsion and Power. 2009. № 2. P. 497–502. https://doi.org/10.2514/1.47282

3. Volkov K. N., Emel'yanov V. N.,. Chernyshov P. S. Flow dynamics and acoustics of the gas jet emanating from a conical nozzle into an immersed space. Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2022. Vol. 95, No. 2. P. 409–420. https://doi.org/10.1007/s10891-022-02495-x

4. Martelli E., Nasuti F., Onofri M. Numerical parametric analysis of dual-bell nozzle flows. AIAA. 2007. Vol. 45, № 3. P. 640–650. https://doi.org/10.2514/1.26690

5. Ihnatiev O. D., Pryadko N. S., Strelnikov G. O., Ternova K. V. Gas flow in a shortened laval nozzle with a bell-shaped nozzle. Technical mechanics. 2022. № 2. P. 39–46. https://doi.org/10.15407/itm2022.02.039

6. Genin C., Stark R., Haidn O., Quering K., Frey M. Experimental and numerical study of dual bell nozzle flow. Progr. Flight Phys. 2013. Vol. 5. P. 363–376. https://doi.org/10.1051/eucass/201305363

7. Nasuti F., Onofri M., Martelli E. Role of wall shape on the transition in axisymmetric dual-bell nozzles. J. Propul. Power. 2005. Vol. 21. №. 2. P. 243–250. https://doi.org/10.2514/1.6524

8. Vermaa S. B., Haidnb O. Unsteady shock motions in an over-expanded parabolic rocket nozzle. Aerospace Science and Technology. 2014. Vol. 39. P. 48–71. https://doi.org/10.1016/j.ast.2014.08.003

9. Asha G., Naga Mohana D., Sai Priyanka K., Govardhan D. Design of Minimum Length Nozzle Using Method of Characteristics. International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT). 2021. Vol. 10. Issue 05. Р. 490–495.

10. Joshi P., Gandhi T., Parveen S. Critical Designing and Flow Analysis of Various Nozzles using CFD Analysis. International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT). 2020. Vol. 9. Issue 02. Р. 421–424. https://doi.org/10.17577/IJERTV9IS020208

11. Strelnikov G., Pryadko N., Ihnatiev O., Ternova K. Сhoice of a turbulence model for modeling complex flows in rocket engine nozzles. Novel Research in Sciences. 2022. Vol. 10. Issue 5. Р. 1–5.

12. Abramovich G. N. Applied gas dynamics. Edition 5. М.: «Nauka». 1991. 600 p.

Copyright (©) 2023 Стрельников Г. О., Прядко Н. С., Тернова К. В.

Copyright © 2014-2023 Технічна механіка