Численное исследование обтекания носового обтекателя сжимаемой жидкостью с помощью Multi

Aug 03, 2023

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 787 (2023) Цитировать эту статью

2846 Доступов

2 цитаты

Подробности о метриках

Из-за сильного аэродинамического нагрева защита носовой части ГПВРД имеет решающее значение для гиперзвукового полета. В настоящей работе предложена и исследована новая система охлаждения для защиты носового обтекателя при гиперзвуковом полете. Вычислительная гидродинамика используется для моделирования боковой и осевой струи охлаждающей жидкости, выходящей из острия при высокой скорости. Основная цель — найти оптимальное расположение струи для эффективного охлаждения носовой части и узла иглы. Полностью исследовано влияние двух струй теплоносителя (Углекислого газа и Гелия) на механизм системы охлаждения. Для моделирования уравнения RANS сочетаются с уравнением переноса частиц и моделью турбулентности SST. Исследуются две различные конфигурации струи (осевое положение диска) для получения эффективных условий защиты носового обтекателя при гиперзвуковом полете. Наши результаты показывают, что наличие шипа на носовом обтекателе снижает давление на основной корпус до 33% и смещает максимальное давление в сторону больших углов из-за отклонения воздушного потока. Максимальное давление падает примерно на 50% за счет впрыска дисковой струи охлаждающей жидкости (С2) под углом 55 градусов.

Система охлаждения терморегулирования аэродинамического нагрева является основным вопросом при проектировании носовой части высокоскоростных аппаратов и шаттлов. Были предприняты значительные усилия для поиска эффективного решения этой проблемы, и в этом отношении были предложены и исследованы некоторые практические и теоретические методы1,2. Сложная особенность гиперзвукового потока вблизи носового обтекателя является важной проблемой для оценки термической эффективности предложенных методов3,4. Кроме того, возникновение ударной волны при диссоциации воздуха также усложняет физику течения в районе носового обтекателя5.

Поскольку основной концепцией носовой части является уменьшение сопротивления, новая методология должна учитывать это при терморегулировании аэродинамического нагрева. Фактически, снижение тепла и сопротивления должно быть сбалансировано для эффективной модели6,7. Механическое устройство иглы является наиболее традиционной практической моделью термического уменьшения носового обтекателя при гиперзвуковом потоке. В этом методе отрыв потока происходит на кончике иглы, а вблизи иглы создается область высокой температуры8,9. Поскольку шип снижает силу сопротивления и нагрев носового обтекателя, он популярен и практичен в реальных условиях. Формирование скачка и величина теплоотдачи пропорциональны форме и длине шипа10. Сила и взаимодействие ударной волны, создаваемой перед шипом, важны для тепловой нагрузки на основной корпус. В предыдущих работах были тщательно исследованы различные характеристики механических шипов для достижения оптимальной геометрии этого метода11,12,13.

Применение многорядного диска на шипе также повышает тепловые характеристики шипа14,15. В этом методе в зазорах создается рециркуляционный поток, что улучшает теплообмен в районе шипа. Кроме того, отклонение ударного амортизатора регулируется размером диска, что позволяет избежать отклонения носового амортизатора от основного корпуса16,17.

Впрыск охлаждающей жидкости из носового обтекателя также известен как второй метод тепловой защиты носовой части гиперзвуковых аппаратов18,19. В этой концепции высвобождается переходная струя, которая толкает носовой амортизатор вверх по потоку. Кроме того, низкая температура теплоносителя снижает температуру газа вблизи конуса и, как следствие, снижается теплоотдача в основной корпус20,21. Кроме того, теплопроводность (Cp) потока изменяется за счет впрыска вторичного газа, что также эффективно защищает носовой обтекатель. Хотя этот подход пока непрактичен, он дает важные данные о механизме производства тепла посредством процесса аэродинамического нагрева22,23,24.