Fluid DynamicsFluid DynamicsИзвестия Российской академии наук. Механика жидкости и газа1024-70843034-5340The Russian Academy of Sciences26249210.31857/S1024708424010052sdutvsArticlesСтатьиResearch ArticleAnalysis of the flow structure in a supersonic channel with cavityАнализ структуры течения в сверхзвуковом канале с кавернойSeleznevR. К.СелезневР. К.
Russian Federation
rkseleznev@gmail.comDukhov Automatics Research InstituteВсероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. ДуховаIshlinsky Institute for Problems in Mechanics of the Russian Academy of SciencesИнститут проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН15022024183902708202427082024Copyright ©; 2024, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2024, Российская академия наук2024Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://journals.rcsi.science/1024-7084/article/view/262492

The results of numerical study of supersonic flow in a channel with cavity are given. The calculated oscillation spectra are analyzed using the fast Fourier transform. Two types of oscillatory modes can be distinguished in the resulting periodic self-oscillatory regime. The first type of the modes corresponds to acoustic vibrations caused by the passage of sound waves along the cavity and calculated using the modified Rossiter formula. The second type of the modes corresponds to the frequencies of flow-rate oscillations caused by mass transfer between the cavity and the external flow. It is shown that the flow structure is modified when fuel is supplied in front of the cavity. Active combustion occurs in the layer of mixing fuel and oxygen from air. The flow pattern demonstrates the onset of Kelvin–Helmholtz instability on the interface between the main flow and the reacted gas. It is shown that an increase in the supplied fuel pressure leads to a decrease in the oscillation frequency and an increase in the characteristic size of oscillations.

Представлены результаты численного исследования сверхзвукового канала с каверной. Рассчитанные спектры колебаний анализируются с использованием быстрого преобразования Фурье. В полученном периодическом автоколебательном режиме можно выделить два типа колебательных мод. Первый тип мод соответствует акустическим колебаниям, вызванных прохождением звуковых волн вдоль каверны и рассчитанных с помощью модифицированной формулы Росситера. Второй тип мод соответствует частотам расходных колебаний, которые вызваны массообменном между каверной и внешним потоком. Показано изменение структуры течения при подаче топлива перед каверной. Активное горение происходит в слое смешения топлива и кислорода из воздуха. Картина течения демонстрирует возникновение неустойчивости Кельвина–Гельмгольца на границе раздела основного потока и прореагировавшего газа. Показано, что увеличение давления подаваемого топлива приводит к уменьшению частоты колебаний и увеличению характерного размера колебаний.

cavityself-oscillating processsupersonic flowcombustionKelvin–Helmholtz instabilityкавернаавтоколебательный процесссверхзвуковой потокгорениенеустойчивость Кельвина–ГельмгольцаSeleznev R.K., Surzhikov S.T., Shang J.S. A review of the scramjet experimental data base // Prog. Aerosp. Sci. Elsevier Ltd, 2019. V. 106. № February. P. 43–70.Seleznev R.K. History of scramjet propulsion development // J. Phys. Conf. Ser. 2018. V. 1009. № 1. P. 012028.Гарбарук А.В., Стрелец М.Х., Шур М.Л., Дядькин А.А., Михайлов М.В., Рыбак С.П., Даньков Б.Н., Косенко А.П. Двухэтапная RANS-DDES-модель и результаты расчета нестационарных воздействий на возвращаемый аппарат и двигательный отсек космического корабля при их аварийном разделении // Математическое моделирование. 2021. Т.33. № 7. С. 121–138.Rossiter J.E. Wind tunnel experiments on the flow over rectangular cavities at subsonic and transonic speeds // Aeronautical Research Council Reports & Memoranda. October 1964. № 3438.Beranek B. Aerodynamically induced pressure osillations in cavities – physical mechanisms and suppression concepts // Airf. flight Dyn. Lab. 1975.Даньков Б.Н., Дубень А.П., Козубская Т.К. Анализ автоколебательных процессов в каверне с открытым типом течения на основе данных вихреразрешающих расчетов // Изв. РАН. МЖГ. 2023. № 4. С. 156–166.Заугольников Н.Л., Коваль М.А., Швец А.И. Пульсации потока газа в кавернах при сверхзвуковом обтекании // Изв. АН СССР. МЖГ. 1990. № 2. С. 121–127.Hankey W.L., Shang J.S. Analyses of Pressure Oscillations in an Open Cavity // AIAA J. 1980. Vol. 18, № 8. P. 892–898.Vakili A.D., Gauthier C. Control of cavity flow by upstream mass injection // AIAA 22nd Fluid Dyn. Plasma Dyn. Lasers Conf. 1991. 1991. V. 31. № 1.Vakili A.D. et al. Active control of cavity aeroacoustics in high speed flows // 33rd Aerosp. Sci. Meet. Exhib. 1995.Pandian S., Desikan S.L.N., Niranjan S. Experimental investigation of starting characteristics and wave propagation from a shallow open cavity and its acoustic emission at supersonic speed // Phys. Fluids. 2018. V. 30. № 1.Wang H., Wang Z., Sun M. Experimental study of oscillations in a scramjet combustor with cavity flameholders // Exp. Therm. Fluid Sci. Elsevier Inc. 2013. V. 45. P. 259–263.Даньков Б.Н., Дубень А.П., Козубская Т.К. Численное моделирование возникновения автоколебательного процесса возле трехмерного обратного уступа при трансзвуковом режиме обтекания // Изв. РАН. МЖГ. 2016. № 4. P. 108–119.Choi J.Y., Ma F., Yang V. Combustion oscillations in a scramjet engine combustor with transverse fuel injection // Proc. Combust. Inst. 2005. V. 30 II. P. 2851–2858.Choi J.Y., Yang V. Dynamics of reactive fuel-jet in scramjet combustor with a flame-holding cavity // 39th AIAA/ASME/SAE/ASEE Jt. Propuls. Conf. Exhib. 2003. № July. P. 1–7.Choi J.Y. et al. Detached Eddy simulation of combustion dynamics in scramjet combustors // Collect. Tech. Pap. – 43rd AIAA/ASME/SAE/ASEE Jt. Propuls. Conf. 2007. V. 1. № July. P. 231–237.Калашник М.В., Чхетиани О.Г. Генерация волн на поверхности раздела вихревыми возмущениями в сдвиговом потоке // Изв. РАН. МЖГ. 2014. № 3. С. 98–109.Липатов И.И., Тугазаков Р.Я. Образование когерентных структур при сверхзвуковом обтекании пластины конечного размаха // Изв. РАН. МЖГ. 2015. № 6. С. 93–99.Липатов И.И., Тугазаков Р.Я. Механизм образования поперечных структур при обтекании тела сверхзвуковым потоком газа // Изв. РАН. МЖГ. 2014. № 5. С. 134–141.Surzhikov S.T. On two-dimensional numerical modeling of the Burrows — Kurkov experimental data on hydrogen combustion in a supersonic air flow usingNS/RANS equations // Phys. Kinet. Gas Dyn. 2021. V. 22. № 4. P. 88–124.Суржиков С.Т. Термогазодинамика модельной камеры сгорания этилена в сверхзвуковом потоке // Изв. РАН. МЖГ. 2022. № 3. С. 115–134.Surzhikov S.T. Results of the Use of Algebraic Models of Turbulence in the Framework of the RANS Model of Heating the Surface of a Sharp Plate in a Supersonic Flow Результаты использования алгебраических моделей турбулентности в рамках RANS модели нагрева поверхности ос. 2023. V. 24. № 3. P. 1–49.Seleznev R.K. Numerical study of the flow structure in the supersonic inlet-isolator // J. Phys. Conf. Ser. 2018. V. 1009. P. 012034.Селезнев Р.К. Численное исследование ПВРД и ГПВРД режимов работы камеры сгорания HIFiRE-2 // Изв. РАН. МЖГ. 2022. № 6. С. 64–73.Seleznev R.K. Validation of 3D model by the example of a supersonic inlet-isolator // J. Phys. Conf. Ser. 2018. V. 1009. P. 012031.Seleznev R.K. Validation of two-dimensional model by the example of a supersonic inlet-isolator // J. Phys. Conf. Ser. 2018. V. 1009. P. 012030.Surzhikov S. et al. Unsteady Thermo-Gasdynamic Processes in Scramjet Combustion Chamber with Periodical Input of Cold Air // 50th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. Reston, Virginia: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2014. P. 25.Селезнев Р.К. Исследование структуры течения в модельном воздухозаборнике ГПВРД с поперечной подачей водородного топлива в сверхзвуковой поток // Изв. РАН. МЖГ. 2021. № 3. С. 30–38.Суржиков С.Т. Аэрофизика обтекания затупленного клина конечных размеров // Изв. РАН. МЖГ. 2021. № 5. P. 89–102.Суржиков С.Т. Теплообмен и ионизация при неравновесном обтекании затупленной пластины гиперзвуковым потоком // Изв. РАН. МЖГ. 2021. № 6. P. 109–124.Edwards J. et al. Low-diffusion flux-splitting methods for flows at all speeds // 13th Computational Fluid Dynamics Conference. Reston, Virigina: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 1997. V. 36. № 9.Суржиков С.Т. Метод расчета сверхзвукового обтекания сферы на основе AUSM конечно-разностных схем // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2005. V. 3. № 60. P. 7–34.Coakley T. Turbulence modeling methods for the compressible Navier-Stokes equations // 16th Fluid and Plasmadynamics Conference. Reston, Virigina: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 1983.Evans J.S., Schexnayder C.J. Influence of Chemical Kinetics and Unmixedness on Burning in Supersonic Hydrogen Flames // AIAA J. 1980. V. 18. № 2. P. 188–193.Seleznev R., Surzhikov S. Generalized Newton Method For Solving Differential Equations of Chemical Kinetics // 44th AIAA Thermophysics Conference. Reston, Virginia: American Institute of Aeronautics and Astronautics. 2013. P. 1–17.