بررسی کارآیی مدل‌های آشفتگی در شبیه‌سازی عددی ستون دود خروجی از موشک

نوع مقاله : مقاله مستقل

نویسندگان

1 دکترا، مجتمع دانشگاهی هوافضا، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران.

2 دانشیار، مجتمع دانشگاهی هوافضا، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران.

10.22044/jsfm.2025.16058.3959

چکیده

در این مطالعه، کارآیی مدل‌های مختلف آشفتگی برای شبیه‌سازی عددی ستون دود خروجی از یک موتور موشک سوخت جامد مورد ارزیابی قرار گرفته است. جریان ستون دود، شامل پدیده‌های پیچیده‌ای مانند تراکم‌پذیری، برهم‌کنش امواج ضربه‌ای، احتراق ثانویه و ناحیه آشفته است که نیاز به مدل‌سازی دقیق دارند. برای این منظور، از روش‌های عددی مبتنی بر معادلات ناویر-استوکس میانگین‌گیری‌شده رینولدز و نرم‌افزار انسیس فلوئنت استفاده شده است. مدل‌های آشفتگی k-ε و k-ω در نسخه‌های مختلف، از جمله مدل SST k-ω و چندین نسخه تعدیل‌شده از مدل k-ε برای پیش‌بینی ساختار جریان ستون دود به کار گرفته شده‌اند. صحت نتایج عددی با داده‌های تجربی حاصل از تصاویر آزمایش‌های استاتیک موتور موشکی مقایسه شده است. نتایج نشان می‌دهند که مدل استاندارد k-ε ‌به‌طور کلی موقعیت امواج ضربه‌ای را دقیق‌تر پیش‌بینی می‌کند، همچنین تغییر مقدار پارامتر عدد ماخ آشفتگی در مدل k-ω می‌تواند دقت نتایج را نسبت به مدل استاندارد بهبود دهد. این مطالعه نشان می‌دهد که اصلاح مدل‌های آشفتگی می‌تواند دقت شبیه‌سازی ستون دود موشکی را بهبود بخشد و در نتیجه به مدل‌سازی دقیق‌تر تابش حرارتی و شناسایی موشک در کاربردهای مهندسی و نظامی کمک کند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Simmons FS (2000) Rocket exhaust plume phenomenology. The Aerospace Press, USA.
[2] Dennis C, Sutton P (2005) Assessing rocket plume damage to launch vehicles. 41st AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, Arizona, USA, AIAA 2005-4163.
[3] Niu Q, Duan X, Meng X, He Z, Dong S (2019) Numerical analysis of point-source infrared radiation phenomena of rocket exhaust plumes at low and middle altitudes. Infrared Phys Technol 99: 28–38.
[4] Watts D (2016) Assessing computational fluid dynamics turbulence models for rocket exhaust plume simulation. 52nd AIAA/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, USA, 4591.
[5] Dennis CW (1996) A study of rocket exhaust particles. PhD Thesis, Cranfield University, UK.
[6] Cousins JM (1982) Calculations of conditions in an axisymmetric rocket exhaust plume: The REP3 computer program. RARDE, Westcott, UK.
[7] Pu P, Jiang Y (2019) Assessing turbulence models on the simulation of launch vehicle base heating. Int J Aerosp Eng 1: 4240980.
[8] Fontes DH, Metzger PT (2022) Evaluation of different RANS turbulence models for rocket plume on Mars environment. AIAA SCITECH 2022 Forum, USA, 0741.
[9] Childs RE, Matsuno KV (2024) Novel turbulence model tailored for complex rocket motor exhaust jets. AIAA AVIATION Forum and Exposition.
[10] Sanford G, McBride B (1996) Computer program for calculation of complex chemical equilibrium compositions and applications. NASA Reference Publication.
[11] Langenais A, Aubrée J, Doublet P, Langlois S, Rialland V (2023) Numerical simulation of flight effect on the afterburning plume exhausting from a solid rocket motor. EUCASS-CEAS 2023, Switzerland.
[12] Chase MW (1985) NIST-JANAF thermochemical tables. J Phys Chem Ref Data.
[13] Spalart PR, Allmaras SR (1994) A one-equation turbulence model for aerodynamic flows. Rech Aerospatiale 1: 5–21.
[14] Launder BE, Spalding DB (1974) The numerical computation of turbulent flows. Comput Methods Appl Mech Eng 3(2): 269–289.
 
[15] Bardina JE, Huang PG, Coakley TJ (1997) Turbulence modeling validation, testing, and development. NASA Technical Memorandum 110446.
[16] Shih TH, Liou WW, Shabbir A, Yang Z, Zhu J (1995) A new k-ε eddy viscosity model for high Reynolds number turbulent flows—Model development and validation. Comput Fluids 24(3): 227–238.
[17] Orszag SA, Yakhot V, Flannery WS, Boysan F, Choudhury D, Maruzewski J, Patel B (1993) Renormalization group modeling and turbulence simulations. International Conference on Near-Wall Turbulent Flows, Arizona, USA.
[18] Wilcox DC (1998) Turbulence modeling for CFD. DCW Industries, Canada.
[19] Zhou X, Luo KH, Williams J (2001) Large-eddy simulation of a turbulent forced plume. European J. Mech. - B/Fluids 20(2):233-254.
[20] Thies A, Tam CKW (1996) Computation of turbulent axisymmetric and non-axisymmetric jet flows using the k-ε model. AIAA J 34(2): 309–316.
[21] Roblin A, Dubois I, Grisch F, Boischot A, Vingert L (2002) Comparison between computations and measurements of a H2/LOX rocket motor plume. 8th AIAA/ASME Joint Thermophysics and Heat Transfer Conference, Missouri, USA, AIAA-2002-3107.
[22] Chien KY (1982) Predictions of channel and boundary-layer flows with a low-Reynolds number turbulence model. AIAA J 20(1): 33–38.
[23] Kato M, Launder BE (1993) The modeling of turbulent flow around stationary and vibrating square cylinders. Proc 9th Symposium on Turbulent Shear Flows, Kyoto, Japan, 10.4.1–10.4.6.
[24] Friedrich R (2004) Fundamentals of compressible turbulence. IV Escloa de Primavera de Transicao e Turbulencia.
[25] Menter FR (1993) Zonal two equation k-ω turbulence models for aerodynamic flows. 24th AIAA Fluid Dynamics Conference, Orlando, USA, AIAA-93-2906.