Валидация методов расчета горения водорода в сверхзвуковом потоке модельного воздуха по экспериментальным данным Бича — Эванса — Шекснайдера

Рассмотрены вопросы численного моделирования горения водородно-воздушной смеси в сверхзвуковом потоке. Моделирование основано на решении полной системы уравнений Навье — Стокса с замыканием при помощи модели турбулентности и детальной химической кинетики. Исследовано смешение и горение водородно-воздушной топливной смеси в экспериментальной постановке Бича — Эванса — Шекснайдера. Качественно и количественно исследовано влияние различных кинетических механизмов, моделей турбулентности, моделей TCI и граничных условий на характер получаемого решения. Определены относительные погрешности расчета массовых концентраций воды для контрольных сечений. Показаны границы применения методов. Сделаны выводы о влиянии механизмов турбулентного перемешивания и химической кинетики на горение водорода.

Литература

[1] Steelant J., Marini M., Pezella G., Reimann B., Chernyshev S.L., Gubanov A.A., Talyzin V.A., Voevodenko N.V., Kukshinov N.V., Prokhorov A.N., Neely A.J., Kenell C., Verstraete D., Buttsworth D. Numerical and Experimental Research on Aerodynamics of High-Speed Passenger Vehicle within the HEXAFLY-INT Project. Proceedings of 30th Congress of the International Council of the Aeronautical Sciences, 25–30 September 2016, Daejeon Convention Center (DCC) Daejeon, South Korea, 2016, code 126186.

[2] Mehta U., Aftosmis M., Bowles J., Pandya S. Skylon airframe aerodynamics and SABRE plumes. 20th AIAA International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference, 6–9 July 2015, Glasgow, United Kingdom, 2015, code 124139.

[3] Ширяева А.А. Применение модели реактора частичного перемешивания для учета взаимодействия турбулентности и горения на основе уравнений Рейнольдса. Ученые записки ЦАГИ, 2018, № 8, с. 27–39.

[4] Burrows M.C., Kurkov A.P. An Analytical and Experimental Study of Supersonic Combustion of Hydrogen in Vitiated Air Stream. AIAA Journal, 1973, vol. 11, no. 9, pp. 1217–1218, doi: 10.2514/3.50564

[5] Anderson G.Y., Gooderum P.B. Exploratory tests of two strut fuel injectors for supersonic combustion. Technical Report. NASA TN D-7581, 1974. 49 p.

[6] Roudakov A.S., Semenov V.L., Hicks J.W. Recent Flight Test Results of the Joint CIAM-NASA Mach 6.5 Scramjet Flight Program. Technical Report. NASA TP-1998-206548, 1998, 15 p.

[7] Voland R.T., Auslender A.H., Smart M.K., Roudakov A.S., Semenov V.L., Kopchenov V. CIAM/NASA Mach 6.5 scramjet flight and ground test. 9th International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference, 1999, 9 p.

[8] Odam J., Paull A. Comparison of experimental thrust measurements with theoretical values for a scramjet engine. 12th International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference, 2003, Norfolk, VA, United States, 15–19 December 2003, code 102998.

[9] Xing F., Cai J., Huang Y., Yao Y. Numerical Analysis of HyShot Scramjet Model with Different Throat Heights. 21st AIAA International Space Planes and Hypersonics Technologies Conference, 2017, 12 p.

[10] Evans J.S., Schexnayder C.J., Beach H.L. Application of Two — Dimensional Parabolic. Computer Program to Prediction of Turbulent Reacting Flows. NASA TP-1169, 1978.

[11] Гуляев А.Н., Козлов В.Е., Секундов А.Н. К созданию универсальной однопараметрической модели для турбулентной вязкости. Известия Российской академии наук. Механика жидкости и газа, 1993, № 4, c. 69–81.

[12] Menter F.R. Zonal two equation k–ω turbulence models for aerodynamic flows. AIAA Paper, 1993, no. 93-2906, 21 p., doi: 10.2514/6.1993-2906

[13] Langtry R.B., Menter F.R. Correlation-Based Transition Modeling for Unstructured Parallelized Computational Fluid Dynamics Codes. AIAA Journal, 2009, vol. 47, no. 12, pp. 2894–2900, doi: 10.2514/1.42362

[14] Dimitrow V.I. The maximum kinetic mechanism and rate constants in the H2–O2 System. Reaction Kinetics and Catalysis Letters, 1977, vol. 7, no. 1, pp 81–86, doi: 10.1007/BF02068557

[15] Hong Z., Davidson D.F., Hanson R.K. An improved H2/O2 mechanism based on recent shock tube/laser absorption measurements. Combustion and Flame, 2011, vol. 158, pp. 633–644, doi: 10.1016/j.combustflame.2010.10.002

[16] Bezgin L.V., Kopchenov V.I., Sharipov A.S., Titova N.S., Starik A.M. Evaluation of Prediction Ability of Detailed Reaction Mechanisms in the Combustion Performance in Hydrogen/Air Supersonic Flows. Combustion Science and Technology, 2013, vol. 185, iss. 1, pp. 62–94, doi: 10.1080/00102202.2012.709562

[17] Sabelnikov V., Deshaies B., Figueira L.F., Silva D.A. Revisited flame let model for non-premixed combustion in supersonic turbulent flows. Combustion and flame, 1998, vol. 114, pp. 577–584, doi 10.1016/S0010-2180(97)00296-4