ВЛИЯНИЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА АКУСТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ РЕАКТИВНОЙ СТРУИ ГАЗА С ПЛОСКОЙ ПРЕГРАДОЙ

Николин, СА, Сокол, ГИ
Косм. наука технол. 2020, 26 ;(3):20-31
https://doi.org/10.15407/knit2020.03.020
Язык публикации: Русский
Аннотация: 
В процессе проведения полетных миссий космических летательных аппаратов одним из важнейших этапов является их старт, так как для этого этапа полета характерны сложные газодинамические процессы взаимодействия высокотемпературной сверхзвуковой струи газа, истекающей из сопла двигательной установки, с элементами конструкции пусковой площадки. Данные процессы влекут за собой возникновение турбулентных течений, которые сопровождаются скачками уплотнения, волнами разрежения и контактными разрывами. В результате создаются интенсивные газодинамические и тепловые нагрузки на элементы стартового стола и стенки газоходов. Наличие неустойчивостей и переходных процессов приводит к генерированию акустических и вибрационных колебаний, которые влияют на конструктивные элементы наземных сооружений, состояние полезного груза и экосферу вокруг старта. Поэтому корректное прогнозирование данных нагрузок еще на стадии эскизного проектирования ракеты и стартовых сооружений позволяет существенно повысить прочность и устойчивость элементов ракетно-космической техники, повысить их надежность, а также предусмотреть
мероприятия по снижению уровней шумов в районе старта ракеты. Этим определяется актуальность выбранной темы настоящей работы.
           Целью настоящей работы является исследование влияния расстояния между срезом сопла и плоской преградой на газодинамические характеристики набегающего потока и возникающих при этом акустических излучений. Газодинамические процессы, которые возникают при натекании сверхзвуковой струи на преграду, описываются с помощью системы уравнений Навье — Стокса. Уравнения выражают законы сохранения массы, импульса и энергии для идеального газа. Расчет акустических процессов выполнен с использованием интегрального метода Фокса Вильямса — Хокингса и разложений в ряды Фурье. Расчеты выполнялись в два этапа. На первом решалась газодинамическая задача в стационарной постановке с применением модели турбулентности SST k-ω, а на втором — акустическая, в нестационарной постановке с применением DES-модели турбулентности.
           Результаты расчетов представлены в виде эпюр и графиков некоторых газодинамических и акустических характеристик. Получены результаты расчетов газодинамических и акустических характеристик при натекании сверхзвуковой недорасширенной струи газа на плоскую преграду. Для расчета использован численный метод с использованием усредненных по Рейнольдсу уравнений Навье — Стокса с подключением акустической модели Фокса Вильямса — Хокингса.
          Результаты показали, что увеличение расстояния между срезом сопла и преградой приводит к возникновению сложных турбулентных течений и к повышению уровней акустических излучений. Это происходит из-за того, что главным источником шумов при натекании струи на преграду являются колебания турбулентного подслоя и наличие скачков уплотнения и волн разрежения, интенсивность которых с увеличением расстояния между соплом и пластиной также увеличивается. Но в дальнем акустическом поле изменение данного расстояния слабо влияет на общий уровень звукового давления. Предположительно это происходит потому, что приемники находятся далеко за пределами расчетной области, и использованный метод Фокса Вильямса — Хокингса уже хуже учитывает влияние пластины и ее отдаление от среза сопла.
Ключевые слова: акустическое излучение, коэффициент давления, недорасширенная струя, плоская преграда, уровень звукового давления, число Маха
References: 
1. Анцупов А. В., Благосклонов В. И., Пимштейн В. Г. Взаимодействие перерасширенной струи газа с плоской преградой. Уч. зап. Центр. аэро-гидродинам. ин-та. 1973. 4, № 1. С. 84—87.
2. Бухмастов М. В., Сидельников Р. В. Разработка методики оценки влияния шума реактивной струи на корпус головной части ракеты-носителя. Наука ЮУрГУ: материалы 66-й научной конференции (15—17 апреля 2014 г.). Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2014. С. 108—112.
3. Гинзбург И. П., Соколов Е. И., Усков В. Н. Типы волновой структуры при взаимодействии недорасширенной струи с безграничной плоской преградой. Прикл. мех. и техн. физика. 1976. № 1. С. 45—50.
4. Губанова О. И., Лунев В. В., Пластинина Л. И. О центральной срывной зоне при взаимодействии сверхзвуковой недорасширенной струи с преградой. Изв. АН СССР. Мех. жидкости и газа. 1971. № 2. С. 135—138.
5. Кудин О. К., Нестеров Ю. Н., Токарев О. Д., Флаксман Я. Ш. Экспериментальное исследование натекания высокотемпературной струи запыленного газа на преграду. Уч. зап. Центр. аэро-гидродинам. ин-та. 2013. 44, № 6. С. 105—115.
6. Мельникова М. Ф., Нестеров Ю. Н. Воздействие сверхзвуковой нерасчетной струи на плоскую преграду, перпендикулярную оси струи. Уч. зап. Центр. аэро-гидродинам. ин-та. 1971. 2, № 5. С. 105—108.
7. Набережнова Г. В., Нестеров Ю. Н. Неустойчивое течение в области взаимодействия недорасширенной струи с преградой. Уч. зап. Центр. аэро-гидродинам. ин-та. 1982. 13, № 4. С. 134—140.
8. Николин С. А., Приходько А. А. Численное моделирование взаимодействия недорасширенной сверхзвуковой струи газа с плоской преградой. Вісник Дніпровського ун-ту. 2018. 26, № 4. С. 73—80.
9. Полякова Н. С. Оценка точности методов расчета аэродинамического шума с использованием пакета ANSYS FLUENT: автореф. дис. ... магистра. СПб., 2012. 60 с.
10. Akamine M., Okamoto K., Gee K. L., Neilsen T. B., Teramoto S., Okunuki T., Tsutsumi S. (2018). Effect of nozzle–plate distance on acoustic phenomena from supersonic impinging jet. AIAA J. 56, No. 5, 1943—1952.
11. Alvi F. S., Ladd J. A., Bower W. W. (2002). Experimental and computational investigation of supersonic impinging jets. AIAA J. 40, 599—609.
12. ANSYS Inc., Canonsburg, PA. Product Documentation Release 14.0, 2010.
13. Bahman-Jahrom I., Ghorbanian K., Ebrahimi M. (2019). Experimental investigation on acoustic wave generation due to supersonic hot jet impingement on an inclined flat plate. J. Appl. Fluid Mech. 12, No. 4, 1063—1072.
14. Dewan Y. (2013). A preliminary study of acoustic prediction technology based on detached eddy simulations for supersonic jets impinging on flat plates. Master’s thesis.  Daytona Beach.
15. Fukuda K., Tsutsumi S., Fujii K., Ui K., Ishii T., Oinuma H., Kazawa J., et al. (2009). Acoustic measurement and prediction of solid rockets in static firing tests // 15th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference (30th AIAA Aeroacoustics Conf.) (May 11-13, 2009). — Miami, Florida, 2009.
16. Acoustic loads generated by the propulsion system (1971). Hampton, Virginia: NASA.
17. Bahman-Jahrom I., Ghorbanian K., Ebrahimi M. (2019). Experimental investigation on acoustic wave generation due to supersonic hot jet impingement on an inclined flat plate. J. Appl. Fluid Mech. 12, No. 4, 1063—1072.
18. Worden T. J., Gustavsson J. P. R., Shih Ch., Alvi F. S. (2013). Acoustic measurements of high-temperature supersonic impinging jets in multiple configurations. 19th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conf. (May 27—29, 2013). Berlin, 2013.