Применение открытого программного обеспечения для решения задач газодинамики старта ракеты-носителя

Т. О. Абдурашидов, А. В. Осипов, В. Н. Корчагова, М. В. Крапошин, Е. В. Смирнова, С. В. Стрижак

Аннотация


Для решения задачи снижения ударно-волновых, эжекционных, тепловых, газодинамических и акустических нагрузок на ракету-носитель (РН) и на оборудование стартового комплекса – пусковые установки (ПУ) предлагается привлечение возможностей методов математического моделирования. Одним из возможных направлений применения численных методов является моделирование происходящих при старте РН процессов взаимодействия сверхзвуковых струй газа с подводимыми для снижения акустических нагрузок водяными струями и конструкцией стартового комплекса. Ввиду сложности происходящих при старте РН процессов их описание с помощью математической модели должно носить комплексный, по возможности модульный характер. Предлагаемая численная модель должна обладать возможностями учёта явлений различного масштаба – от динамики газокапельного потока до акустики дальнего поля космодрома. Из соображений гибкости и расширяемости реализация модели должна осуществляться с использованием открытого программного обеспечения. Рассматриваются вопросы применимости одной из важных составляющих модели – модуля численного описания газодинамики турбулентного сверхзвукового потока. Тестирование модели производится для различных режимов истечения сверхзвуковых струй – идеального, недорасширенного. Приводятся результаты моделирования ударно-волновой структуры как затопленной, так и натекающей на препятствие одноблочной и трёхблочной сверхзвуковых струй двигательной установки. Результаты расчётов сравниваются с экспериментальными данными.


Ключ. слова


Ракета-носитель; газодинамика и акустика старта; двухфазные течения; численная модель; открытое программное обеспечение; тестирование; верификация

Полный текст:

PDF

Список литературы

1. Greenshields C.J., Weller H.G., Gasparini L., Reese J.M. Implementation of semi-discrete, non-staggered central schemes in a colocated, polyhedral, finite volume framework, for high-speed viscous flows // International Journal for Numerical Methods in Fluids. 2010. V. 63, Iss.1. P. 1-21. DOI: 10.1002/fld.2069

2. Rusche H. Computational Fluid Dynamics of Dispersed Two-Phase Flows at High Phase Fractions. PhD Thesis, Thesis, Imperial College of Science, Technology and Medicine, 2002.

3. Крапошин М.В. Математическое моделирование сжимаемых течений с использованием гибридного метода аппроксимации конвективных потоков. Дис. … канд. физ.-мат. наук. Москва, 2016. 182 с.

4. Popinet S. Gerris: a tree-based adaptive solver for the incompressible Euler equations in complex geometries // Journal of Computational Physics. 2003. V. 190, Iss. 2. P. 572-600. DOI: 10.1016/s0021-9991(03)00298-5

5. Korchagova V.N., Kraposhin M.V., Marchevsky I.K., Smirnova E.V. Simulation of droplet impact on deep pool at large Froude numbers by using different open-source codes // Journal of Physics: Conference Series. 2017. V. 918. DOI: 10.1088/1742-6596/918/1/012037

6. Давыдова Е.В., Корчагова В.Н. Свободное программное обеспечение для моделирования жидкости со свободной поверхностью // Труды ИСП РАН. 2016. Т. 28, вып. 1. С. 243-258. DOI: 10.15514/ISPRAS-2016-28(1)-14

7. Смирнова Е.В. The validation of open-source code Gerris on the problems of hydrodynamic instabilities. http://www.ispras.ru/conf/2016/pdf/Smirnova.pdf

8. Eggers J.M. Velocity Profiles and Eddy Viscosity Distributions Downstream of a Mach 2.22 Nozzle Exhausting to Quiescent Air // NASA Technical Note D-3601. Washington: Langley Research Center, 1966. 83 p.

9. Gross N., Blaisdell G.A., Lyrintzis A. Evaluation of Turbulence Model Corrections for Supersonic Jets using the OVERFLOW Code // 40th AIAA Fluid Dynamics Conference and Exhibit. 2010. DOI: 10.2514/6.2010-4604

10. Norum T.D., Seiner J.M. Measurements of Mean Static Pressure and Far-Field Acoustics of Shock-Containing Supersonic Jets // NASA Technical Memorandum 84521. Washington: Langley Research Center, 1982. 204 p.

11. Кудимов Н.Ф., Сафронов А.В., Третьякова О.Н. Прикладные задачи газодинамики и теплообмена в энергетических установках ракетной техники. М.: Московский авиационный институт, 2014. 167 с.

12. Menter F.R., Kuntz M., Langtry R. Ten Years of Industrial Experience with the SST Turbulence Model // Proceedings of the Fourth International Symposium on Turbulence, Heat and Mass Transfer. 2003. V. 4. P. 625-632.

13. Yakhot V., Orszag S.A., Thangam S., Gatski T.B., Speziale C.G. Development of turbulence models for shear flows by a double expansion technique // Physics of Fluids A: Fluid Dynamics. 1992. V. 4, Iss. 7. P. 1510-1520. DOI: 10.1063/1.858424

14. Berger M., Aftosmis M.J., Muman M.S. Analysis of Slope Limiters on Irregular Grids // 43rd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. 2005. DOI: 10.2514/6.2005-490

15. Norum T.D., Seiner J.M. Experiments of Shock Associated Noise on Supersonic Jets // 12th AIAA Fluid and Plasma Dynamics Conference. 1979. DOI: 10.2514/6.1979-1526

16. Shih T.H., Liou W.W., Shabbir A., Yang Z., Zhu J. A New k-ε Eddy Viscosity Model for High Reynolds Number Turbulent Flows // Computers & Fluids. 1995. V. 24, Iss. 3. P. 227-238. DOI: 10.1016/0045-7930(94)00032-t


DOI: http://dx.doi.org/10.18287/2541-7533-2017-16-4-7-20

Ссылки

  • Ссылки не определены.


 

Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 International License.

 

ISSN: 2541-7533