Численное моделирование истечения сверхзвуковой перерасширенной газовой струи в жидкость

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Рассматривается численное моделирование подводного истечения сверхзвуковой перерасширенной воздушной струи. Расчеты проводятся в нестационарной трехмерной постановке с использованием осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье–Стокса (течение в сопле) и вихреразрешающего подхода к моделированию турбулентности (течение в струе). Расчет взаимодействия газовой среды с жидкостью осуществляется с помощью многофазной модели объема жидкости, учитывающей силы поверхностного натяжения и сжимаемость среды. Проводится анализ структурных особенностей турбулентности, образующихся при истечении сверхзвуковой струи воздуха в воду. В результате расчетов получена нестационарная картина формирования сверхзвуковой струи и газовой полости в жидкости, визуализирована ударно-волновая структура течения, а также оценен уровень пульсаций давления в жидкости. На качественном уровне проводится сопоставление картины течения при истечении струи воздуха в воздух и в воду. Полученные результаты сопоставляются с данными экспериментальной высокоскоростной фоторегистрации и имеющихся численных расчетов.

About the authors

V. N. Emelyanov

Baltic State Technical University "Voenmeh" named after D.F. Ustinov

Saint Petersburg, Russia

M. S. Yakovchuk

Baltic State Technical University "Voenmeh" named after D.F. Ustinov

Email: mihailyakovchuk@gmail.com
Saint Petersburg, Russia

References

  1. Hoefele E.O., Brimacombe J.K. Flow Regimes in Submerged Gas Injection // Metallurgical Trans. B. 1979. V. 10. № 4. P. 631.
  2. Labotz R.J. Hydrodynamic Consideration and Limitations in Submerged Rocket Firings // J. Spacecraft and Rockets. 1965. V. 2. № 3. P. 320.
  3. Дегтярь В.Г., Пегов В.И., Мошкин И.Ю., Чешко А.Д. Математическое моделирование процессов тепломассообмена горячих газовых струй с жидкостью при подводном старте ракет // ТВТ. 2019. Т. 57. № 5. С. 742.
  4. Emelyanov V.N., Volkov K.N., Yakovchuk M.S. Multiparameter Optimization of Thrust Vector Control with Transverse Injection of a Supersonic Underexpanded Gas Jet into a Convergent-divergent Nozzle // Energies. 2021. V. 14. 4359.
  5. Gulawani S.S., Deshpande S.S., Joshi J.B. Submerged Gas Jet into a Liquid Bath: A Review // Industrial and Engineering Chemistry Research. 2007. V. 46. № 10. P. 3188.
  6. Cloette S., Olsen J.E. CFD Modelling of Plume and Surface Behavior Resulting from Sub-sea Gas Release // Applied Ocean Research. 2009. V. 31. P. 220.
  7. Чжан Ч., Меньшов И.С. Численное моделирование истечения природного газа из подводного газопровода. Препринт № 74. М.: ИПМ им. М.В. Келдыша, 2017. 18 с.
  8. Zhang Z., Wang L., Ming F., Silberschmidt V.V., Chen H. Application of Smoothed Particle Hydrodynamics in Analysis of Shaped Charge Jet Penetration Caused by Underwater Explosion // Ocean Engineering. 2017. V. 45. P. 177.
  9. Hu Z., Wang Z., Yin J., Yi J. Formation and Penetration Capability of an Annular-shaped Charge // Mathematical Problems in Engineering. 2021. 6660189.
  10. Emelyanov V.N., Teterina I.V., Volkov K.N., Garkushev A.U. Pressure Oscillations and Instability of Working Processes in the Combustion Chambers of Solid Rocket Motors // Acta Astronautica. 2017. V. 135. P. 161.
  11. Khabbouchi I., Guellouz M.S., Nasrallah S.B. A Study of the Effect of the Jet-like Flow on the Near Wake Behind a Cylinder Close to a Plane Wall // Experimental Thermal and Fluid Science. 2013. V. 44. P. 285.
  12. Volkov K. Coupled Simulation of Fluid Flow and Vibro-acoustic Processes in the Channel with a Circular Cylinder // Fluids. 2022. V. 17. № 2. 382.
  13. Friedel M.J., Fannelop T. Bubble Plumes and Their Interaction with the Water Surface // Applied Ocean Research. 2000. V. 22. P. 347.
  14. Einardsrud K.E. Kinetic Energy Approach to Dissolving Multiphase Plumes // J. Hydraulics. 2009. V. 135. № 12. P. 1041.
  15. Zhou L., Yu Y. Experimental Study on Gas-curtain Generation Characteristics by Multicombustion-gas Jets in the Cylindrical Liquid Chamber // Ocean Engineering. 2015. V. 109. P. 410.
  16. Жаркова В.В., Щеляев А.Е., Дядькин А.А., Павлов А.О., Симакова Т.В. Расчет гидродинамических воздействий на возвращаемый аппарат при посадке на воду // Компьютерные исследования и моделирование. 2017. Т. 9. № 1. С. 37.
  17. Olson B.J., Lele S.K. A Mechanism for Unsteady Separation in Over-expanded Nozzle Flow // Phys. Fluids. 2013. V. 25. № 11. 110809.
  18. Loth E., Faeth G.M. Structure of Underexpanded Round Air Jets Submerged in Water // Int. J. Multiphase Flow. 1989. V. 15. № 4. P. 589.
  19. Miaosheng H., Lizi Q., Yu L. Oscillation Flow Induced by Underwater Supersonic Gas Jets from a Rectangular Laval Nozzle // Procedia Engineering. 2015. V. 99. P. 1531.
  20. Fronzeo M., Kinzel M. An Investigation of Gas Jets Submerged in Water // AIAA Paper. 2016. № 2016-4253.
  21. Shi H., Guo Q., Wang C., Dong R.-L., Zhang L.-T., Jia H.-X., Wang X.-G., Wang B.-Y. Oscillation Flow Induced by Underwater Supersonic Gas Jets // Shock Waves. 2010. V. 20. № 4. P. 347.
  22. Tang Y., Li S. The Mechanism for the Quasi-back-attack Phenomenon of Gas Jets Submerged in Water // Int. J. Aeronautical and Space Sciences. 2019. V. 20. P. 165.
  23. Zhang C., Sa R., Zhou D., Jiang H. Effects of Gas Velocity and Break Size on Steam Penetration Depth Using Gas Jet into Water Similarity Experiments // Progress in Nuclear Energy. 2017. V. 98. P. 38.
  24. Arghode V.K., Gupta A.K. Jet Characteristics from a Submerged Combustion System // Applied Energy. 2012. V. 89. № 1. P. 246.
  25. Han S., Moon K.H., Ko S., Kim J.K., Moon H.J., You Y.J., Kwan M.C. Feasibility Study and Demonstration of an Underwater Labscale Hybrid Rocket Propulsion // AIAA Paper. 2017. № 2017-5046.
  26. Weiland C. Round Gas Jets Submerged in Water // Int. J. Multiphase Flow. 2013. V. 48. P. 46.
  27. Zhang X., Li S., Yang B., Wang N. Flow Structures of Over-expanded Supersonic Gaseous Jets for Deep-water Propulsion // Ocean Engineering. 2020. V. 213. 107611.
  28. Zhang X., Li S., Yu D., Yang B., Wang N. The Evolution of Interface for Underwater Supersonic Gas Jets // Water. 2020. V. 12. 488.
  29. Иванов М.Ф., Опарин А.М., Султанов В.Г., Фортов В.Е. Некоторые особенности развития Релей–Тейлоровских неустойчивостей в трехмерной геометрии // Доклады РАН. Физика. 1999. Т. 367. № 4. С. 464.
  30. Widnall S.E., Bliss D.B., Tsai C.-Y. The Instability of Short Waves on a Vortex Ring // J. Fluid Mech. 1974. V. 66. № 1. P. 35.
  31. Huang N., Chen Z.-H., Wang Z.-L. Main Characteristics of Underwater Supersonic Gas Jet Flows // Mathe- matical Problems in Engineering. 2022. 1191938.
  32. Волков К.Н., Емельянов В.Н., Яковчук М.С. Конкуренция механизмов неустойчивости сверхзвуковой перерасширенной струи воздуха при ее истечении в воду // Письма в ЖТФ. 2023. Т. 49. № 21. С. 29.
  33. Hirt C.W., Nichols B.D. Volume of Fluid (VOF) Method for the Dynamics of Free Boundaries // J. Comput. Phys. 1981. V. 39. № 1. P. 201.
  34. Thompson E. Use of Pseudo-concentrations to Follow Creeping Viscous Flows During Transient analysis // Int. J. Numerical Methods in Engineering. 1986. V. 6. № 10. P. 749.
  35. Brackbill J., Kothe D.B., Zemach C. A Continuum Method for Modelling Surface Tension // J. Comput. Phys. 1992. V. 100. № 2. P. 335.
  36. Ekman P., Wieser D., Virdung T., Karlsson M. Assessment of Hybrid RANS–LES Methods for Accurate Automotive Aerodynamic Simulations // Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2020. V. 206. 104301.
  37. Menter F., Hüppe A., Matyushenko A., Kolmogorov D. An Overview of Hybrid RANS–LES Models Deve-loped for Industrial CFD // Applied Sciences. 2021. V. 11. 2459.
  38. Zhang K., Jin Y., Han X., He X. Very-large-eddy Simulation of Nonreactive Turbulent Flow for Annular Trapped Vortex Combustor // J. Appl. Fluid Mech. 2022. V. 15. № 2. P. 523.
  39. Menter F. Stress-blended Eddy Simulation (SBES) – A New Paradigm in Hybrid RANS–LES Modelling // Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design. 2018. V. 137. P. 27.
  40. Batten P., Goldberg U., Chakravarthy S. LNS – An Approach Towards Embedded LES // AIAA-2002-0427. 2002.
  41. Walters D.K., Bhushan S., Alam M.F., Thompson D. Investigation of a Dynamic Hybrid RANS/LES Mo- delling Methodology for Finite Volume CFD Simulations // Flow, Turbulence and Combustion. 2013. V. 91. № 3. P. 643.
  42. Kim B.-C., Chang K. Assessment of Hybrid RANS/LES Models in Heat and Fluid Flows Around Staggered Pin-fin Arrays // Energies. 2020. V. 13. 3752.
  43. Volkov K. Numerical Analysis of Navier–Stokes Equations on Unstructured Meshes. In: Handbook on Navier–Stokes Equations: Theory and Analysis. Nova Science, 2016. P. 365.
  44. Volkov K. Multigrid and Preconditioning Techniques in CFD Applications. In: CFD Techniques and Thermo-mechanics Applications. Springer Int. Publ., 2018. P. 83.
  45. Roache P.J. Perspective: A Method for Uniform Reporting of Grid Refinement Studies // J. Fluids Engineering. 1994. V. 116. № 3. P. 405.
  46. Popinet S. Numerical Models of Surface Tension // Annual Rev. Fluid Mech. 2018. V. 50. P. 49.
  47. Vachaparambil K.J., Einarsrud K.E. Comparison of Surface Tension Models for the Volume of Fluid Method // Processes. 2019. V. 7. № 8. 542.
  48. Gutmark E.J., Schadow K.S., Yu K.H. Mixing Enhancement in Supersonic Free Shear Layer Flows // Annual Rev. Fluid Mech. 1995. V. 27. P. 375.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».