Numerische Untersuchung der kompressiblen Strömung um den Nasenkegel mit Multi

Aug 03, 2023

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 787 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Aufgrund der starken aerodynamischen Erwärmung ist der Schutz des Vorderkörpers des Scramjets für den Hyperschallflug von entscheidender Bedeutung. In der vorliegenden Arbeit wird ein neues Kühlsystem zum Schutz des Nasenkegels bei Hyperschallflügen vorgeschlagen und untersucht. Die numerische Strömungsdynamik wird für die Simulation des lateralen und axialen Kühlmittelstrahls verwendet, der von der Spitze bei hoher Geschwindigkeit freigesetzt wird. Das Hauptziel besteht darin, die optimale Strahlposition für eine effiziente Kühlung der Nase und der Spike-Baugruppe zu finden. Der Einfluss zweier Kühlmittelstrahlen (Kohlendioxid und Helium) auf den Mechanismus des Kühlsystems wurde vollständig untersucht. Zur Simulation werden RANS-Gleichungen mit der Speziestransportgleichung und dem SST-Turbulenzmodell gekoppelt. Es werden zwei unterschiedliche Strahlkonfigurationen (axiale Scheibenpositionen) untersucht, um effiziente Bedingungen für den Schutz des Nasenkegels beim Hyperschallflug zu erhalten. Unsere Ergebnisse zeigen, dass das Vorhandensein der Spitze am Nasenkegel den Druck auf den Hauptkörper um bis zu 33 % verringert und den maximalen Druck aufgrund der Ablenkung des Luftstroms in größere Winkel verschiebt. Der maximale Druck sinkt durch die Einspritzung des Kühlmittelscheibenstrahls (C2) in einem Winkel von 55 Grad um etwa 50 %.

Das Kühlsystem zur thermischen Steuerung der aerodynamischen Erwärmung ist das Hauptthema bei der Gestaltung des Vorderwagens von Hochgeschwindigkeitsfahrzeugen und Shuttles. Es wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, um eine effiziente Lösung für dieses Problem zu finden, und es wurden diesbezüglich einige praktische und theoretische Techniken vorgeschlagen und untersucht1,2. Das komplexe Merkmal der Hyperschallströmung in der Nähe des Nasenkegels ist eine wichtige Herausforderung für die Bewertung der thermischen Effizienz dieser vorgeschlagenen Techniken3,4. Darüber hinaus erhöht die Erzeugung des Stoßes mit Luftdissoziation auch die Komplexität der Strömungsphysik in der Nähe des Nasenkegels5.

Da das Hauptkonzept des Vorderwagens darin besteht, den Luftwiderstand zu verringern, sollte eine neue Methodik dies für das Wärmemanagement der aerodynamischen Erwärmung berücksichtigen. Tatsächlich sollte die Reduzierung von Wärme und Luftwiderstand für das effiziente Modell ausgeglichen sein6,7. Das mechanische Spike-Gerät ist das konventionellste praktische Modell zur thermischen Reduzierung des Nasenkegels bei Hyperschallströmung. Bei dieser Technik erfolgt die Strömungstrennung an der Spitze der Spitze und in der Nähe der Spitze entsteht ein Hochtemperaturbereich8,9. Da der Spike die Widerstandskraft und die Erwärmung des Nasenkegels reduziert, ist er in der Praxis beliebt und praktisch. Die Bildung von Stößen und der Wert der Wärmeübertragung sind proportional zur Form und Länge der Spitze10. Für die thermische Belastung des Hauptkörpers ist die Stärke und das Zusammenspiel des vor der Spitze entstehenden Bugstoßes wichtig. In früheren Arbeiten wurden verschiedene Eigenschaften mechanischer Spikes ausführlich untersucht, um die optimale Geometrie dieser Technik zu erreichen11,12,13.

Die Anwendung der mehrreihigen Scheibe auf dem Spike verbessert auch die thermische Leistung des Spikes14,15. Bei diesem Verfahren wird in den Zwischenräumen eine Rezirkulationsströmung erzeugt, die den Wärmeübergang in der Nähe der Spitze verbessert. Außerdem wird die Ablenkung des Schlagstoßes über die Größe der Scheibe gesteuert, wodurch die Ablenkung des Bugstoßes am Hauptkörper vermieden werden könnte16,17.

Die Einspritzung des Kühlmittels aus dem Bugkegel ist auch als zweite Technik zum Wärmeschutz des Vorderrumpfs von Hyperschallfahrzeugen bekannt18,19. Bei diesem Konzept wird ein transienter Strahl freigesetzt, der den Bugstoßdämpfer in die stromaufwärts gelegene Richtung drückt. Außerdem verringert die niedrige Temperatur des Kühlmittels die Temperatur des Gases in der Nähe des Kegels und folglich verringert sich die Wärmeübertragung in den Hauptkörper20,21. Außerdem ändert sich die Wärmeleitfähigkeit (Cp) der Strömung durch die Injektion von Sekundärgas, was sich auch positiv auf den Schutz des Nasenkegels auswirkt. Obwohl dieser Ansatz noch nicht praktikabel ist, liefert er wichtige Daten über den Mechanismus der Wärmeerzeugung durch den aerodynamischen Erwärmungsprozess22,23,24.

In jüngster Zeit wird die Hybridtechnik für den thermischen Schutz des Nasenkegels bei Hyperschallströmung populär25,26. Die Kombination von Fluidik (Gegenstrahl) und Mechanik (Spitze) könnte Luft- und Raumfahrtingenieuren dabei helfen, eine höhere Leistung bei der Reduzierung von Thermik und Luftwiderstand zu erzielen27,28,29. Die Einspritzung des Kühlmittelstrahls vom Nasenkegel mit mehrreihiger Scheibe wird in der vorliegenden Arbeit vorgeschlagen, wie in Abb. 1 dargestellt. Bei der vorgeschlagenen Technik erfolgt die Kühlung der Nase durch Einspritzen von Kühlmittel aus der Spitze, während auf eine Reduzierung des Luftwiderstands geachtet wird durch die Spitze. Bei dieser innovativen Methode wird versucht, beide Vorteile zur Reduzierung des Luftwiderstands und der Hitze an Nase und Spitze zu nutzen.

Ausgewähltes Modell mit vorgeschlagenem Einspritzsystem.

In diesem Artikel wurden umfassende dreidimensionale Studien zur Analyse hybrider fluidischer und mechanischer Geräte zum thermischen Schutz des Hauptkörpers bei Hyperschallflügen durchgeführt. Die Auswirkungen der Strahlposition und der Kühlmitteltypen auf die thermische Belastung des Spitzenkegels mit der mehrreihigen Scheibe sind vollständig untersucht. Der CFD-Ansatz wird zur Visualisierung der kompressiblen Strömung in der Nähe der vorgeschlagenen Konfiguration verwendet. Untersucht werden die Strömungseigenschaften um die Nase und die Wärmeflussrate am Hauptkörper und an der Spitze.

Die Simulation der kompressiblen Strömung um den Nasenkegel erfolgt nahezu durch Lösen der RANS-Gleichungen30,31,32. Für die Simulation der Helium- und Kohlendioxidinjektion als sekundäre Spezies ist die Speziestransportgleichung auch als Energiegleichung gekoppelt, da letztere für die Modellierung des Schocks innerhalb der Domäne von wesentlicher Bedeutung ist33,34. Aufgrund der hohen Geschwindigkeit des Luftstroms wird das Aufwindschema zweiter Ordnung zur Diskretisierung der Konvektionsterme der maßgeblichen Gleichung verwendet. Strömungsgas wird als ideales Gas angenommen und Reaktionen und Dissoziationen werden in dieser Arbeit nicht berücksichtigt35,36. Aufgrund der Strömungssituation mit hoher Geschwindigkeit wird in unserer Studie das SST-Turbulenzmodell zur Berechnung der Viskosität verwendet. Zur Berechnung der Wärmekapazität wird das Mischungsgesetz angewendet37,38,39.

In dieser Arbeit ist der Zufluss ein Fernfelddruck mit M = 5,0, Pinf-2550 und Tinf = 221 K. Helium und Kohlendioxid werden als Kühlmittelstrahlen mit Schallbedingungen bei Ts = 300 K ausgewählt. Der Druckauslass wird aus den Ergebnissen von innen extrapoliert Domain. Für den Dorn und den Hauptkörper wird eine Wand mit einer konstanten Temperatur von 300 K angenommen. Die Länge des Dorns entspricht dem Durchmesser des Hauptkörpers. Für die Einspritzung des Kühlmittelstrahls werden zwei Positionen an der Spitze der Scheibe und drei Stellen am Stiel des Dorns gewählt. Die Fläche dieser Injektoren ist gleich, um zum Vergleich dieser Konfigurationen einen identischen Massendurchsatz zu haben. Um den Rechenaufwand zu reduzieren, wird nur das 45-Grad-Drei-Vollmodell als Domäne für die Simulationen ausgewählt. Daher wird die Symmetriebedingung für zwei Seiten der Domäne40,41 angewendet.

Die Gittererzeugung erfolgt unter besonderen Berücksichtigungen in der Nähe der Injektoren und der Spitze von Spitze und Scheibe, wo die Hauptstoßwechselwirkung und starke Erwärmung auftreten42,43. Wie in Abb. 2 dargestellt, wird ein strukturiertes Gitter verwendet, was hauptsächlich auf starke Stoßwechselwirkungen und Hochtemperaturregionen in unserem Gebiet zurückzuführen ist. Außerdem muss der Gitterverteilungsschock gleichmäßig sein, um eine Fehlerdiffusion in unseren Simulationen zu vermeiden. Für die Netzunabhängigkeitsanalyse werden im ersten Schritt vier Netzauflösungen generiert und simuliert. Für hergestellte Gitter wurde ein Vergleich der Wärmebelastung des Hauptkörpers durchgeführt (Tabelle 1), und es wurde festgestellt, dass es sich um ein feines Gitter mit 1.628.000 Zellen handelte. 74 Stunden sind Rechenzeit und das Residuum für die Konvergenz beträgt 10e − 4.

Netzproduktion.

Der Vergleich unserer Berechnungsergebnisse mit der experimentellen Arbeit von Dechaumphai et al.44 ist in Abb. 3 dargestellt. In diesen Diagrammen werden Änderungen des normalisierten Drucks auf den Hauptkörper des Nasenkegels ohne Spitze vorgenommen. Darüber hinaus werden in dieser Abbildung auch Ergebnisse numerischer Studien von Zhu et al.39 dargestellt. Es ist zu beobachten, dass die durchschnittliche Abweichung unserer Daten zu anderen Werken weniger als 6 % beträgt. Die Validierung rechnerischer Studien wurde in mehreren früheren Arbeiten durchgeführt45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55

Validierungen55.

Abbildung 4 zeigt den Strömungsstrom und die Konzentration des Kühlgases (He und CO2) für das Injektionssystem, das von der Spitze der auf dem Dorn befindlichen Scheibe abgegeben wird. Wie erwartet ist die Bildung der Zirkulationen im Hohlraum die Hauptströmungsphysik der vorgeschlagenen Konfigurationen. Ein Vergleich dieser beiden Kühlmittelgase für das Cl-Modell zeigt, dass der Heliumstrahl dazu neigt, sich mit dem Hauptstrom zu bewegen, während die CO2-Strahlen im Hohlraum der Domäne verbleiben. Beim C2-Modell sind der Strömungsstrom und die Konzentrationen des Kühlmittels nahezu identisch, da die Zirkulationsstärke nach der ersten Scheibe hoch genug ist.

Vergleich des Kühlmittelmassenanteils und des Strömungsstroms für das Einspritzsystem von der Spitze der Scheiben.

Das Hauptmerkmal der Stoßwechselwirkungen dieser beiden Modelle ist in Abb. 5 dargestellt. Im Cl-Modell ist der Winkel des Vergleichsstoßes des CO2-Strahls höher als der des Heliumstrahls und dies zeigt, dass die Wechselwirkungen des CO2-Strahls mit dem Hauptkörper größer sind hoch in diesen Konfigurationen. Im C2-Modell lenkt der Heliumstrahl den Hauptstrom ab und es wird eine begrenzte Wechselwirkung zwischen Scherschicht und Hauptkörper festgestellt. Allerdings ist der Winkel des Bugstoßes bei CO2-Strahlen geringer und die Ablenkung erfolgt an der Schulter des Nasenkegels.

Vergleich der Mach-Kontur für das Einspritzsystem von der Spitze der Scheiben.

Um die Wechselwirkungen und die Stärke des Stoßes zu erkennen, sind in Abb. 6 die Temperaturkonturen dieses Zwei-Spitzen-Injektionssystems dargestellt. Im Bereich mit hoher Temperatur wird die Stoßablenkung beobachtet. Darüber hinaus weist die Entstehung des Hochtemperaturbereichs in der Nähe des Hauptkörpers auf den Kompressionsstoß hin, der die Wärmeübertragung in den Hauptkörper erhöht. Heliumstrahlen lenken den Hauptüberschall stärker ab als CO2-Strahlen und verhindern dadurch die Bildung eines Hochtemperaturbereichs in der Nähe des Hauptkörpers.

Vergleich der Temperatur des Einspritzsystems an der Spitze der Scheiben.

Die dreidimensionale Strömungsstruktur dieser beiden Einspritzsysteme ist in Abb. 7 dargestellt. Die Bildung der Kühlmittelschicht stellt den Mechanismus der Gasverteilung in den Zirkulationsbereichen und den Kühlmechanismus in diesen Konfigurationen dar. Aufgrund der starken Stoßwirkung des CO2-Strahls auf das Fass wird die Kühlmittelschicht im Hohlraum weniger abgelenkt.

Dreidimensionales Strömungselement mit Kühlmittelverteilung.

Der Einfluss der Scheibeninjektion (C1) auf die Wärmeverteilung am Nasenkegel ist in Abb. 8 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die Anwendung der Mehrfachscheibe die Stanton-Zahl am Hauptkörper erheblich verringert. Darüber hinaus verringert die Verwendung des Scheibenstrahls auch die maximale Stanton-Zahl am Hauptkörper um 37 %.

Wärmeübertragung am Hauptkörper und an der Scheibe unter verschiedenen Bedingungen.

Die Auswirkungen der Heliumstrahlpositionen (Scheibe 1 und 2) auf die Stanton-Verteilung des Hauptkörpers sind in Abb. 9 dargestellt. Die Änderung der Stanton-Zahl zeigt an, dass sich die Wärmeübertragung am Hauptkörper verbessert, wenn die Einspritzung des Kühlmittels in der Nähe des Hauptkörpers erfolgt wie in Abb. 9 dargestellt.

Verteilung der Stanton-Zahl entlang des Hauptkörpers der verschiedenen Scheiben-Helium-Injektionssysteme.

Abbildung 10 zeigt die Variation des Druckkoeffizienten am Hauptkörper für Nasenkegel mit/ohne MRD und Scheiben-Heliumstrahl. Das Vorhandensein der Spitze am Nasenkegel verringert den Druck auf den Hauptkörper um bis zu 33 % und verschiebt den maximalen Druck aufgrund der Ablenkung des Luftstroms in größere Winkel. Der maximale Druck sinkt durch die Einspritzung des Kühlmittelscheibenstrahls (C2) in einem Winkel von 55 Grad um etwa 50 %. Ein Vergleich dieser Modelle zeigt, dass der Heliumstrahldruck einen erheblichen Einfluss auf die Ablenkung der Hauptstöße haben könnte.

Einfluss der verschiedenen Kühlmitteleinspritzsysteme auf die Druckkoeffizientenverteilung.

Die Auswirkungen der Zwei-Scheiben-Injektionskonfiguration auf die Druckkoeffizientenverteilung am Nasenkegel sind in Abb. 11 dargestellt. Der Vergleich des Druckkoeffizienten zeigt, dass die Injektion in der Nähe des Hauptkörpers für die Reduzierung des Drucks auf den Hauptkörper effizienter ist. Da die Einspritzung von Scheibe 2 (C2) in der Nähe des Hauptkörpers erfolgt, ist sie hilfreicher bei der Ablenkung des Hauptstroms und der Blockierung der einströmenden Luft. Es zeigt sich, dass der Einfluss der Scherschichtdurchbiegung einen wichtigen Einfluss auf die Druckverteilung hat.

Einfluss der verschiedenen Scheibenkühlmitteleinspritzsysteme auf die Druckkoeffizientenverteilung.

In der vorliegenden Arbeit werden die Auswirkungen der seitlichen Einspritzung und des Scheibeneinspritzsystems auf die Kühlleistung des Nasenkegels mit Spitze bei Hyperschallströmung ausführlich untersucht. Die Auswirkungen verschiedener Kühlgase (Helium und Kohlendioxid) auf die Reduzierung der Wärmebelastung des Hauptkörpers und der Spitze werden ausführlich erläutert. Die rechnerische Technik der CFD wird zur Modellierung der Überschallluftströmung um den Nasenkegel mit mehrreihiger Scheibenspitze verwendet. Der Kühlmechanismus dieser Einspritzsysteme wird in der vorliegenden Arbeit offenbart. Für die vorliegende Studie wird ein dreidimensionales Modell verwendet, um die reale Strömungsphysik im Zusammenhang mit vorgeschlagenen Injektionssystemen zu berücksichtigen. Ein Vergleich der Scheibeneinspritzung zeigt, dass der Kühlmittelstrahl die Temperatur in der Nähe des Hauptkörpers effektiv senkt, während sich die Wärmeübertragung auf den Dorn und die Scheibe nicht ändert. Der Hauptvorteil der Scheibeneinspritzung ist die geringere Interaktion mit dem Hauptbugstoß und die hohe Konzentration in der Nähe des Hauptkörpers.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten.

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Fakultät für Bauingenieurwesen, KN Toosi University of Technology, Teheran, 158754416, Iran

Reza Iranmanesh

Fakultät für Bauingenieurwesen, College of Engineering, Cihan-Universität-Erbil, Erbil, Irak

As'ad Alizadeh

Fakultät für Maschinenbau, Technische Universität Babol Noshirvani, Babol, Iran

M. Komfort

Abteilung für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik, Institut für Infrastrukturtechnologieforschung und -management (IITRAM), Ahmedabad, Gujarat, 380026, Indien

Gautam Choubey

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MF hat den Haupttext des Manuskripts geschrieben und RI und AA haben die Abbildungen vorbereitet. GC hat das gesamte Manuskript überarbeitet. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit M. Faraji.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Iranmanesh, R., Alizadeh, A., Faraji, M. et al. Numerische Untersuchung der kompressiblen Strömung um den Nasenkegel mit mehrreihiger Scheibe und mehreren Kühlmittelstrahlen. Sci Rep 13, 787 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-28127-9

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Eingegangen: 26. Oktober 2022

Angenommen: 13. Januar 2023

Veröffentlicht: 16. Januar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-28127-9

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