Валидация ANSYS Fluent

(на задачах ракетно-космической отрасли)

А. В. Лепихов

Конус, притупленный по сфереПараметры набегающего потокаИз литературы:

𝑅𝑒𝑟 =1.5e5;Τ𝐼𝑤 𝐼0 𝑅ℎ = 0.4.

В расчете принято:

𝑇∞ = 61 𝐾;

𝑃∞ = 1492 Па;

𝑀∞ = 8;

𝑇𝑤 = 200.

Источник:Руководство для конструкторов: конвективный теплообмен изделий РКТ. 1.

ЦНИИМаш, 2010 г.

Конвективный теплообмен летательных аппаратов / под науч. Ред. 2.

Землянского Б.А. Физматлит, 2014 г.

Горский В.В. Теоретические основы расчета абляционной тепловой 3.

защиты. Научный мир, 2015 г.

Результаты𝑆𝑡 ∙ 103 =

𝑄𝑐𝑜𝑛𝑣𝜌∞𝑉∞ 𝐼𝑟 − 𝐼𝑤

∙ 103

0,7

0,9

1,1

1,3

1,5

0 5 10 15 20 25 30 35

St*

10

^3

X/R

Cетка-1 (k-w)Cетка-2 (k-w)Cетка-3 (k-w)Сетка-2 (k-w SST)Cетка-3 (k-w SST)Эксперимент

Двусоставной конусУгол полураствора конуса:Θ1 = 10̊

Θ2 = 20̊

Параметры набегающего потокаИз литературы:𝑇0 = 500 𝐾;

𝑝0′ = 2.8 атм;

𝑅𝑒𝑟 =5.0e5;Τ𝐼𝑤 𝐼0 𝑅ℎ = 0.6.

В расчете принято:

𝑇∞ = 60.98 𝐾;

𝑃∞ = 6059 Па;

𝑀∞ = 6;

𝑇𝑤 = 300.

Источник:1. Руководство для конструкторов: конвективный теплообмен изделий РКТ.

ЦНИИМаш, 2010 г.

2. Конвективный теплообмен летательных аппаратов / под науч. Ред.

Землянского Б.А. Физматлит, 2014 г.

3. Горский В.В. Теоретические основы расчета абляционной тепловой защиты.

Научный мир, 2015 г.

Результаты

0

1

2

3

4

5

6

7

0 5 10 15 20 25

Qw

r

X/R

Начальная сетка

Детализированная сетка

Трехкратное измельчение по X

Эксперимент

𝑦+ ∈ 1…11 𝑄𝑤,𝑟 = 104 ∙ Τ𝑄𝑐𝑜𝑛𝑣 𝜌𝑉3

Возможные источники погрешностей

Свойства воздуха при пониженных •температурах (в расчете реализована формула изменения вязкости при Т<200K. Теплопроводность и теплоемкость – по кинетической теории)

Модель турбулентности•

Значения параметров турбулентности в •набегающем потоке

Донное течение и теплообменПараметры набегающего потока

Из литературы:𝑀∞ = 5.95

𝑃0 = 90 атм

𝑅𝑒∞=3.0e6

𝑀∞ = 58 K

𝑇0 = 470 K

𝑇𝑤 = 310 K

В расчете принято:

𝑃∞ = 6079.5 Па;Турбулентность: k-w SST, Compressibility effects

Свойства воздуха: Kinetic Theory, Sutherland’s viscosity

Источник:1. Горшков А.Б., Лунёв В.В. Расчет турбулентного донного теплообмена за

осесимметричными телами // Космонавтика и ракетостроение, вып. 10.

ЦНИИМаш, 1997 г.

Результаты: давление

0,0

0,2

0,4

0 0,25 0,5 0,75 1

P/P

inf

r/R

Эксперимент 3D-Сетка-0

3D-Сетка-1 3D-Сетка-2

3D-Сетка-3 2D-Сетка-2

2D-Сетка-3 2D-Сетка-4

Результаты: теплообмен

0,E+00

2,E-05

4,E-05

6,E-05

8,E-05

1,E-04

0 0,25 0,5 0,75 1

Qco

nv

/r/V

/V/V

r/R

Эксперимент

3D-Сетка-0

3D-Сетка-1

3D-Сетка-2

3D-Сетка-3

2D-Сетка-2

2D-Сетка-3

2D-Сетка-4

Краткий анализ: внешнее течение

Краткий анализ: поле скоростей

Краткий анализ: температура

Что если изменить днище ? (3D)

Результаты: давление

0,0

0,2

0,4

0 0,25 0,5 0,75 1

P/P

inf

r/R

Эксперимент3D-Сетка-03D-Сетка-13D-Сетка-23D-Сетка-33D-Сетка с юбкой

Результаты: тепловой поток

0,E+00

2,E-05

4,E-05

6,E-05

8,E-05

1,E-04

0 0,25 0,5 0,75 1

Qco

nv/r

/V/V

/V

r/R

Эксперимент3D-Сетка-03D-Сетка-13D-Сетка-23D-Сетка-33D с юбкой

Результаты: поле скоростей

РД-180

РД-180