Учёные записки ЦАГИ, ВЫПУСК №2, 2014г.

Примеры вычислительного моделирования сложных турбулентных течений и сопутствующих проблем

С. Ю. Крашенинников, Д. А. Любимов, А. К. Миронов, Д. Е. Пудовиков, П. Д. Токталиев

Для изучения сложных течений, важными характеристиками которых являются турбулентность, нестационарность, трехмерность, проявление неустойчивости, наличие акустических эффектов, использовано численное решение уравнений Навье — Стокса и Рейнольдса. Целью исследования было не только определение конкретных характеристик рассматривавшихся течений, но и анализ их особенностей, ранее не поддававшихся вычислительному моделированию, либо не известных до проводимого анализа. Проведено численное моделирование вихревого течения, возникающего при работе авиационного двигателя вблизи поверхности на основе решений уравнений Рейнольдса. Оно показало, что крупные посторонние предметы засасываются в воздухозаборник в результате выбрасывания мелких частиц из вихря и их последующего накопления в его основании, где образуется высокоплотная "пылевая среда«.Моделирование отрывного течения в криволинейном кольцевом диффузоре проводилось с помощью технологий RANS, URANS и LES. Одновременно проводились эксперименты на моделях. Как при расчетах, так и в экспериментах были получены зоны неоднородности, течение было нестационарным и трехмерным. Но осредненное течение на выходе из диффузора получалось осесимметричным. Вычислительное моделирование течения в сильно закрученной струе и эксперимент также показывают, что оно нестационарное и трехмерное и является стационарным и двухмерным только «в среднем».

Расчет течения в турбулентной струе за шевронным соплом на основе технологии RANS позволил обнаружить вихревые структуры, создаваемые шевронами, и определить интенсивность продольной завихренности, значения которой соответствовали результатам акустических измерений. Для моделирования турбулентных струй с использованием интегрирования нестационарных уравнений Навье — Стокса предложены начальные условия, с достаточной точностью имитирующие развитие слоя смешения вблизи кромки сопла.

Ключевые слова: численное моделирование, пространственные нестационарные течения, турбулентность, RANS, URANS, LES, акустические волны.

ПРИМЕНЕНИЕ RANS/ILES МЕТОДА ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СЛОЖНЫХ ТУРБУЛЕНТНЫХ СТРУЙ

Л. А. БЕНДЕРСКИЙ, Д. А. ЛЮБИМОВ

С помощью комбинированного метода высокого разрешения RANS/ILES выполнены совместные расчеты течения в соплах различных конфигураций и их струях. Для дозвуковой струи получено хорошее совпадение по параметрам потока и турбулентности, спектры звукового давления удовлетворительно совпадают с экспериментом до Sh = 4 — 6. Исследовано влияние температуры на входе в сопло на течение и параметры турбулентности в сверхзвуковой струе из биконического сопла. Представлены результаты расчетов влияния «аэродинамических шевронов» на течение и параметры турбулентности в струе из сопла двухконтурного ТРД. Выполнены расчеты влияния компоновки, включающей в себя сопло двухконтурного ТРД, пилон и крыло с отклоненными закрылками на течение и параметры турбулентности в струе. Исследовано влияние угла атаки на течение в струе из сопла ТРД указанной компоновки. Перечисленные расчеты выполнялись на сетках с 1—3.3×10^6 ячеек. Во всех случаях получено хорошее совпадение с доступными экспериментальными данными.

Ключевые слова: метод RANS/ILES, турбулентные струи, сверхзвуковые струи, аэродинамические шевроны, одноконтурное сопло, биконическое сопло, двухконтурное сопло ТРД в компоновке.

Наземная отработка акустики старта ракет-носителей

Ю. М. Липницкий, А. В. Сафронов

В работе проведено обобщение результатов исследований акустики старта ракет-носителей, проведенных в ФГУП ЦНИИмаш за последние 15 — 20 лет. Разработаны экспериментально-расчетные методики, включающие акустические исследования на маломасштабной базе ФГУП ЦНИИмаш (с тягами газогенераторов до 2 тс), крупномасштабной базе НИЦ РКП (с тягой до 50 тс) и инженерные расчетные методы на основе обобщения натурных измерений и методических исследований, которые позволили оптимизировать состав стендов, снизить объемы наземных испытаний при отработке акустики старта ракет и уточнить пересчет модельных данных на натурные условия. Оптимизация наземной отработки акустики по отношению к ранним работам реализована применением крупномасштабной модели РДТТ без создания более дорогостоящей крупномасштабной ЖРД модели, уменьшением количества испытаний на крупномасштабных стендах, заменой их маломасштабными испытаниями на стенде керосин — воздух. Для уточнения методики пересчета модельных данных на натурные условия представлено применение маломасштабного импульсного стенда УВ-102 с воспроизведением натурной температуры рабочего тела продуктами горения смесей кислород — водород — метан — азот.

Ключевые слова: стартовый комплекс, газодинамики старта, экспериментальная база газодинамики старта, акустические процессы при старте ракет.

метод расчета нестационарного аэродинамического взаимодействия решеток в многоступенчатой турбомашине

а. а. осипов, а. а. россихин

Представлена математическая модель для расчета тонального шума многоступенчатой турбомашины, позволяющая описывать эффекты нестационарного аэродинамического взаимодействия в системе нескольких взаимно вращающихся лопаточных венцов. Модель опирается на анализ частотно-модального спектра пульсаций параметров потока газа в турбомашине, позволяющий установить пространственно-временную структуру поля возмущения, индуцируемого взаимодействием роторных и статорных лопаточных колес. Метод расчета тонального шума реализован в программном комплексе ЦИАМ 3DAS (3 Dimensional Acoustics Solver) с применением современных высокоэффективных разностных схем численного интегрирования уравнений Эйлера для пульсаций параметров потока.

Ключевые слова: решетки турбомашин, ротор-статор взаимодействие, двумерное приближение, тональный шум, двухступенчатая турбина, метод гармонического анализа, сращиваемые модальные разложения, численная DRP-схема.

моделирование периодических вихревых структур в следе за профилем

П. А. баранов, с. в. гувернюк, с. а. исаев,а. г. судаков, а. е. усачов

Параметрические расчеты нестационарного обтекания профиля NACA 0012 при фиксированном числе Рейнольдса 40000 выполнены на нескольких многоблочных пересекающихся сетках разного масштаба и густоты, охватывающих совместно ближний и практически весь дальний след вплоть до начального разгонного вихря. Решения, полученные с помощью полуэмпирических моделей, сравниваются с имеющимися оценочными и экспериментальными данными. Верификация двумерной модели выполнена при сравнении численных прогнозов поперечного обтекания толстой пластинки с экспериментальными данными Игараши.

Ключевые слова: численное моделирование, турбулентность, аэродинамический профиль, процедура коррекции давления, многоблочные вычислительные технологии, пакет VP2/3.

разработка методологии расчета шума винтов с использованием суперкомпьютеров

в. ф. копьев, в. а. титарев, и. в. беляев

Описывается методология расчета аэродинамических и акустических характеристик вращающегося винта реальной формы. Численный метод расчета аэродинамических характеристик основан на использовании неявной схемы высокого порядка аппроксимации на произвольных неструктурированных сетках. Звуковое поле вычисляется с использованием ФВХ-подхода. Для ускорения счета реализовано распараллеливание решателя на основе технологии MPI. Работоспособность метода и комплекс программ иллюстрируются на задаче обтекания шестилопастного авиационного винта и включают валидацию решателя путем сравнения данных расчета с экспериментом, тестирование масштабируемости метода до 1024 процессорных ядер, исследование влияния величины шага по времени на скорость сходимости к стационарному решению. Расчет акустического поля верифицирован на основе точного решения линейного приближения.

Ключевые слова: винт, неструктурированная сетка, ТВД-схема, суперкомпьютерные расчеты, шум обтекания.

влияние вихрегенераторов на диаграмму направленности акустического излучения сверхзвуковых струй

в. и. запрягаев, н. п. киселев, д. а. губанов

Представлены результаты экспериментального исследования влияния двух типов вихрегенераторов, установленных на срезе конвергентного сопла, на диаграмму направленности акустического излучения сверхзвуковой недорасширенной струи. Вихрегенераторы представляли собой шевронный насадок или микроструйный насадок (6 шевронов или 6 микроструй). Установлено, что использование обоих типов вихрегенераторов приводит к подавлению дискретного тона в шуме струи. Зафиксирован эффект снижения шума струи при использовании вихрегенераторов для чисел Струхаля менее граничного. Для больших значений чисел Струхаля зарегистрировано увеличение интенсивности шума. Величина граничного значения числа Струхаля зависит от угла наблюдения и типа вихрегенератора. Применение микроструйного вихрегенератора приводит к понижению суммарного шума струи равномерно во всем диапазоне углов наблюдения. Наличие шевронного вихре-генератора эффективно снижает шум только для углов наблюдения близких к направлению истечения струи.

Ключевые слова: сверхзвуковая струя, акустическое излучение, диаграмма направленности, вдув микроструй, шевроны.

изучение долговечности изотропных пластин при широкополосном акустическом нагружении с различными видами функции взаимной спектральной плотности

с. л. денисов, а. л. медведский, г. в. паранин

В работе рассматривается влияние функции взаимной спектральной плотности внешнего широкополосного акустического поля на долговечность шарнирно закрепленной по периметру металлической изотропной пластины конечных размеров. Проведенные расчеты показывают зависимость долговечности пластины не только от частотного спектра акустического поля, но и от вида функции взаимной спектральной плотности.

Ключевые слова: пространственная корреляционная функция, взаимная корреляционная функция, изотропные пластины, акустическая прочность, долговечность.

комплекс алгоритмов и программ для расчета шума самолетов на местности

В. Г. дмитриев, В. Ф. Самохин

Рассматривается разработанный в ЦАГИ комплекс алгоритмов и программ Аэрошум, который позволяет рассчитывать уровни шума на местности реактивных и винтовых самолетов и вертолетов, а также решать акустические задачи, возникающие при оптимизации параметров воздушного судна по критерию минимального уровня шума на местности и при акустическом зонировании территории аэропорта и его окрестностей. В настоящей работе обсуждается часть комплекса, касающаяся расчета шума реактивных самолетов в контрольных точках на местности. В комплексе реализован акустический расчет самолета на трех уровнях, соответствующих различным этапам проектирования и эксплуатации самолета. Алгоритмы первого и второго уровней базируются на расчетных газодинамических характеристиках силовой установки и летно-технических характеристиках ЛА. Алгоритм третьего уровня использует результаты измерений матриц уровней шума двигателя на открытом стенде.

Ключевые слова: расчет шума самолета на местности, методы расчета шума ЛА, программный комплекс Аэрошум.