بررسی عددی و تحلیلی مجموعه امواج ضربه‌ای لامبدا شکل در مجرای همگرا-واگرا

نوع مقاله: مقاله مستقل

نویسندگان

1 استاد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه شیراز، شیراز، ایران

2 دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه شیراز، شیراز، ایران

3 دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه شیراز، شیراز، ایران

4 دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران

چکیده

در کار حاضر، ساختار امواج ضربه‌ای رشته‌ای لامبدا شکل در یک مجرای همگرا-واگرا با به‌کارگیری رهیافت شبیه‌سازی گردابه‌های بزرگ بر اساس مدل‌های زیر شبکه‌ای مختلف از قبیل اسماگورینسکی لیلی، ادی-لزجت موضعی دیوار-تطبیق (WALE) و مدل جبری دیوار-مدل (WMLES) به‌صورت سه‌بعدی در نرم‌افزار فلوئنت و همچنین با استفاده از روابط تحلیلی مورد بررسی قرار گرفته است. هدف از پژوهش حاضر مقایسه بین نتایج حاصل از مدل‌های زیر شبکه‌ای مختلف و نیز معرفی یک روش مناسب جهت پیش‌بینی رفتار و ساختار امواج رشته‌ای لامبدا شکل می‌باشد. در این راستا از روش انطباقی شبکه‌ها به‌صورت دینامیکی و مطالعه انباشتگی خطاها از رابطه تحلیلی سمیرنف و نیز به‌منظور پیش‌بینی ساختار و تعداد امواج لامبدا شکل از روش هدوگراف عددی استفاده شده است. نتایج حاصل از به‌کارگیری مدل‌های زیر شبکه‌ای مختلف با نتایج آزمایشگاهی موجود مقایسه و مشخص شد که مدل زیر شبکه‌ای WMLES با وجود استفاده از تعداد شبکه پایین‌تر و زمان کمتر برای انجام محاسبات از دقت بالاتری برخوردار است. پس از اطمینان از روش حل مورد استفاده به بررسی تغییرات در ساختار جریان تراکم‌پذیر موجود در هنگام تغییر در طول واگرایی مجرای همگرا واگرا و نیز اعمال پرش دمایی دیواره مجرا در منطقه‌ی تولید امواج رشته‌ای لامبدایی پرداخته شده است. نتایج نشان می‌دهد که با افزایش طول واگرایی مجرا، حداقل فشار دیواره کاهش و مقدار بیشینه ماخ جریان افزایش یافته و محل وقوع موج ضربه‌ای لامبدا شکل به سمت گلوگاه مجرا حرکت می‌کند. به علاوه، با افزایش دمای ناپیوسته دیواره مجرا مقدار کمینه فشار دیوار افزایش و حداکثر ماخ جریان کاهش می‌یابد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Matsuo K, Miyazato Y, Kim HD (1999) Shock train and pseudo-shock phenomena in internal gas flows. Prog Aerosp Sci 35(1): 33-100.

[2] Kuo-Cheng L, Chung-Jen T, Dean E, Kevin J, Thomas J (2006) Effects of Temperature and heat transfer on shock train structures inside constant-area isolators. 44th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit.

[3] Huang W, Wang ZG, Pourkashanian M, Ma L, Ingham DB, Luo SB, Derek B, Liu J (2011) Numerical investigation on the shock wave transition in a three-dimensional scramjet isolator. Acta Astronaut 68(11-12): 1669-1675

[4] Gawehn T, Gülhan A, Al-Hasan N, Schnerr G (2010) Experimental and numerical analysis of the structure of pseudo-shock systems in laval nozzles with parallel side walls. Shock Waves 20(4): 297-306.

[5] Grzona A, Olivier H (2011) Shock train generated turbulence inside a nozzle with a small opening angle. Exp Fluids 51(3): 621-639.

[6] Weiss A, Olivier H (2012) Behaviour of a shock train under the influence of boundary-layer suction by a normal slot. Exp Fluids 52(2): 273-287.

[7] Morgan B, Duraisamy K, Lele SK (2014) Large-eddy simulations of a normal shock train in a constant-area isolator. AIAA J 52(3): 539-558.

[8] Kanda T, Tani K (2007) Momentum balance model of flow field with pseudo-shock. 43rd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit.

[9] Katanoda H, Matsuoka T, Matsuo K (2007) Experimental study on shock wave structures in constant-area passage of cold spray nozzle. J Therm Sci 16(1): 40-45.

[10] Jeffrey A, Thomas H, Tam C J (2007) Numerical simulations of a scramjet isolator using RANS and LES approaches. 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit.

[11] Mousavi SM, Roohi E (2012) Evaluation of different turbulence models for simulation of shock train in a convergent-divergent nozzle. Paper presented at the First National Aerodynamics Hydrodynamics Conference, Institute of Aviation Industries Organization, Tehran, Iran.

[12] Mousavi SM, Roohi E (2013) Large eddy simulation of shock train in a convergent–divergent nozzle. Int J Mod Phys C 25(04): 1450003.

[13] Mousavi SM, Roohi E (2014) Three dimensional investigation of the shock train structure in a convergent–divergent nozzle. Acta Astronaut 105(1): 117-127.

[14] Kamali R, Mousavi SM, Binesh AR (2015) Three dimensional CFD investigation of shock train structure in a supersonic nozzle. Acta Astronaut 116: 56-67

[15] Kamali R, Mousavi SM, Khojasteh D (2016) Three-dimensional passive and active control methods of shock wave train physics in a duct. Int J Appl Mech 08: 1650047.

[16] یادگاری م، طالقانی س آ (1395) مطالعه پارامتری کنترل غیرفعال تداخل شوک و لایه مرزی بر ایرفویل با محفظه و سطح متخلخل در جریان گذر صوتی. مجله مکانیک سازه‌ها و شاره‌ها 284-271 :(2)6.

[17] Goshtasbi-Rad E, Mousavi SM (2015) Wall modeled large eddy simulation of supersonic flow physics over compression–expansion ramp. Acta Astronaut 117: 197-208

[18] Smirnov NN, Betelin VB, Shagaliev RM, Nikitin VF, Belyakov IM, Deryuguin YN, Aksenov SV, Korchazhkin DA (2014) Hydrogen fuel rocket engines simulation using LOGOS code. Int J Hydrogen Energ 39(20): 10748-10756.

[19] Weiss A, Grzona A, Olivier H (2010) Behavior of shock trains in a diverging duct. Exp Fluids 49: 355-365.

[20] Emmons HW (2015) Fundamentals of gas dynamics. Princeton University Pres.

[21] Ikui T, Matsuo K, Nagai M (1974) The mechanism of pseudo-shock waves. Bulletin of JSME 17: 731-739.

[22] Waltrup PJ and Billig FS. (1973) Structure of shock waves in cylindrical ducts. AIAA J 11: 1404-1408.

[23] Billig FS (1993) Research on supersonic combustion. J Propul Power 9: 499-514.

[24] Schlichting H (1979) Boundary-layer theory. McGraw-Hill, New York.