ВПЛИВ ГАЗОДИНАМІЧНИХ ПРОЦЕСІВ НА АКУСТИЧНЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ ПРИ ВЗАЄМОДІЇ РЕАКТИВНОГО СТРУМЕНЯ ГАЗУ З ПЛОСКОЮ ПЕРЕШКОДОЮ

Ніколін, СО, Сокол, ГІ
Косм. наука технол. 2020, 26 ;(3):20-31
https://doi.org/10.15407/knit2020.03.020
Мова публікації: Російська
Анотація: 
У процесі проведення польотних місій космічних літальних апаратів одним з найважливіших етапів є їхній старт,
через те що для цього етапу польоту характерні складні газодинамічні процеси взаємодії високотемпературного
надзвукового потоку газу, що витікає з сопла двигунної установки, з елементами конструкції пускового майданчика.
Дані процеси спричиняють виникнення турбулентних течій, які супроводжуються стрибками ущільнення, хвилями
розрідження і контактними розривами. В результаті виникають інтенсивні газодинамічні та теплові навантаження на елементи стартового столу і стінки газоходів. Наявність нестійких і перехідних процесів призводить до акустичних та вібраційних навантажень, які впливають на конструктивні елементи наземних споруд, стан корисного вантажу і екосферу навколишнього середовища. Тому коректне прогнозування даних навантажень ще на стадії ескізного проектування ракети і стартових споруд дозволяє істотно підвищити міцність і стійкість елементів ракетно-космічної техніки, підвищити їхню надійність, а також передбачити заходи зі зниження рівнів шумів в районі старту ракети. Цим визначається актуальність обраної теми цієї роботи.
             Метою даної роботи є дослідження впливу відстані між зрізом сопла і плоскою перешкодою на газодинамічні характеристики набігаючого потоку і спричинених ним акустичних випромінювань. Газодинамічні процеси, які виникають при натіканні надзвукового потоку на перешкоду, описуються за допомогою системи рівнянь Нав’є — Стокса. Рівняння виражають закони збереження маси, імпульсу і енергії для ідеального газу. Розрахунок акустичних процесів виконано з використанням інтегрального методу Фокса Вільямса — Хокінгса
і розкладів в ряди Фур’є. Розрахунки виконувалися у два етапи. На першому розв’язувалася газодинамічна задача у стаціонарній постановці із застосуванням моделі турбулентності SST k-, а на другому — акустична, в нестаціонарній постановці із застосуванням DES-моделі турбулентності.
           Результати розрахунків представлено у вигляді епюр і графіків деяких газодинамічних і акустичних характеристик. Отримано результати розрахунків газодинамічних і акустичних характеристик при набіганні надзвукового недорозширеного струменя газу на плоску перешкоду. Для розрахунку використано чисельний метод з використанням усереднених по Рейнольдсу рівнянь Нав’є — Стокса з підключенням акустичної моделі Фокса Вільямса — Хокінгса. Результати показали, що збільшення відстані між зрізом сопла і перешкодою призводить до виникнення складних турбулентних течій та підвищення рівнів акустичних випромінювань. Це відбувається через те, що головним джерелом шумів при набіганні струменя на перешкоду є коливання турбулентного шару та наявність стрибків ущільнення і хвиль розрідження, інтенсивність яких зі збільшенням відстані між соплом і пластиною також збільшується. Але у далекому акустичному полі зміна даної відстані слабо впливає на загальний рівень звукового тиску. Можна припустити, що це відбувається тому, що приймачі знаходяться далеко за межами розрахункової області, і використаний метод Фокса Вільямса — Хокінгса вже гірше враховує вплив пластини і її віддалення від зрізу сопла.
Ключові слова: акустичне випромінювання, коефіцієнт тиску, недорозширений потік, плоска перешкода, рівень звукового тиску, 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.