alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейсalternative-1049Research ArticleМУЛЬТИРЕЖИМНЫЕ ТРАНСПОРТНЫЕ СРЕДСТВАMULTY MODE VEHICLESО РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБАРИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ АКТИВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ПОТОК ПРИ ИНЖЕКЦИИ ТЯЖЁЛЫХ И ХОЛОДНЫХ ГАЗОВON REALIZATION OF ISOBARIC REGIMES OF ACTIVE MODIFICATION ON HIGH VELOCITY AIRFLOW AT INJECTION OF HEAVY AND COLD GASESЧувашеваЕ. С.ChuvashevaE. S.

старший преподаватель на кафедре «Проектирование вычислительных комплек- сов»,

д. 4, Волоколамское ш., A-80, ГСП-3, Москва, 125993

Senior Lecturer (the Development of Computer Complexes Department),

4 Volokolamskoye drive, A-80, GSP-3, Moscow, 125993

chuvashevalena@gmail.comСкрябинаЕ. С.SkriabinaE. S.

аспирантка, кафедра «Проектирование вычислительных комплексов»;

заведующий лабораторией кафедры теплофизики

Postgraduate, the Development of Computer Complexes Department, 4 Volokolamskoye drive, A-80, GSP-3, Moscow, 125993;

Head of the Laboratory at the Department of Thermophysics

ElzaBra@yandex.ruЧувашевС. Н.ChuvashevS. N.

д-р физ.-мат. наук (МГУ им. Ломоносова, физика и химия плазмы, 1998); профессор Московского авиационного института (МАТИ); руководитель междисциплинарной группы

D.Sc. (physics and mathematics) (Lomonosov Moscow State University, 1998); Professor at the Ziolkovsky MATI Technological University; Head of an interdisciplinary team,

4 Volokolamskoye drive, A-80, GSP-3, Moscow, 125993

snchuv@mail.ruФГБОУВО «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)»РоссияMoscow Aviation Institute (National Research University)Russian FederationФГБОУВО «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)»; Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана (МГТУ им. Н.Э. Баумана)РоссияMoscow Aviation Institute (National Research University); BMSTURussian Federation201730062017013-15123133Copyright © Международный издательский дом научной периодики "Спейс, 20172017Международный издательский дом научной периодики "СпейсМеждународный издательский дом научной периодики "Спейсhttps://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.isjaee.com/jour/article/view/1049

Представлены результаты математического моделирования активного воздействия на высокоскоростное обтекание при формировании изобарической области при инжекции газа в поток. Это может обеспечить существенное снижение энергозатрат и выбросов при высокоскоростном движении. Ранее считалось, что изо- барические режимы реализуются при скорости звука в инжектированном газе, превышающей скорость потока. С учетом ограничений на допустимые температуры инжектируемых газов указанное условие накладывает жесткие ограничения на набор газов, применимых для инжекции (гелий, водород). Эти криогенные газы в ряде случаев практически неудобны из-за проблем хранения.

Рассмотрена инжекция относительно тяжёлых и холодных газов, для которых скорость звука до 2–3 раз меньше скорости потока. Ранее изучался «расчетный» режим, при котором расход газа при инжекции равен расходу газа в турбулентном пограничном слое. Рассмотрены режимы с расходом газа больше «расчетного». Показано, что «лишний» газ оттесняет вихревую полосу и эффективно увеличивает поперечное сечение обтекаемого тела. Кроме того, обнаружен режим, при котором изобарическая область перекрывает только часть поперечного сечения тела (при недостаточном расходе инжекции). Другой режим, характеризующийся формированием больших вихрей, колебанием газодинамических параметров и ростом аэродинамического сопротивления, наблюдался несколько десятков пролётных времён после возмущения в течение (70…100)∙t*, где t* – пролётное время. Этот переходный режим характерен для инжекции относительно тяжёлых и холодных газов. Во всех рассмотренных случаях формировалась изобарическая область инжектированного газа. Это значительно расширяет номенклатуру газов, применимых для формирования изобарических режимов инжекции. 

Results of computer simulation of active modification of a high speed air flow over a streamlined body are presented. Regimes with formation of isobaric regions of injected gases are considered. It is of interest to the engineers due to the prospects of its application for mitigation of energy consumption and emission of flue gases at high speed flights. The formation of the isobaric regimes was believed to require that the condition of the velocity of airflow being higher than the speed of sound of the injected gas is met, i.e. the injected gas is sufficiently light and hot. The temperature of the injected gas cannot be very high; it means that only helium and hydrogen could be used to meet this condition. However, these gases are to be stored under cryogenic conditions, which is not practical.

In this work, it is tested whether this sufficient condition is really necessary for formation of the isobaric regimes. Injection of comparatively cold and heavy gases with the speed of sound being 2–3 times less than the velocity of airflow is simulated. Besides the design mode of injection, low and high gas flow rates are studied. The excess gas flow increases the effective cross section of the body. If the flow rate is insufficient, the isobaric region covers only a part of the cross section of the body.

The main difference between the light and hot gases injection is that at injection of cold and heavy gases the flow kept very unstable during (70…100)∙t*, here t* is the characteristic period of flow along the body.

In all the cases considered, the isobaric regimes did appear. It makes it possible to apply much more sorts of gases for injection. 

высокоскоростной потоктяжелый газаэродинамическое сопротивлениеизобарический режиминжекция газаhigh speed airflowheavy gasaerodynamic dragisobaric regimegas injectionReferencesPezzella, G. Aerodynamic and aerothermodynamic analysis of high-speed earth re-entry capsule / G. Pezzella, E. Trifoni [Text] // International Journal of Aerodynamics. 2016. – Vol. 5. – Iss. 1. – P. 34–68.Pezzella G., Trifoni E. Aerodynamic and aerothermodynamic analysis of high-speed earth re-entry capsule. International Journal of Aerodynamics , 2016;(5)34–68 (in Eng.).Bocharov, A.N. Approach to solution of coupled heat transfer problem on the surface of hypersonic vehicle of arbitrary shape [Text] / A.N. Bocharov [et al.] // Journal of Physics: Conference Series 774, 2016.Bocharov A.N., Bityurin V.A., Golovin N.N., Evstigneev N.M., Petrovskiy V.P., Ryabkov O.I.,Сидняев, Н.И. Обтекание гиперзвуковых летательных аппаратов в условиях поверхностного разрушения / Н.И. Сидняев. – М.: Физматлит, 2017. – 304 с.Teplyakov I.O., Shustov A.A., Solomonov Yu.S., Fortov V.E. Approach to solution of coupled heat transfer problem on the surface of hypersonic vehicle of arbitrary shape. Journal of Physics: Conference Series, 2016;(774)1–10 (in Eng.).Ong, C. A survey of hypersonic aerodynamics and aerothermodynamics for planetary reentry capsules / C. Ong, R.D. Braun, S.M. Ruffin // 3rd International Planetary Probe Workshop. – 27 June – 1 July 2005, Anavyssos, Greece.Sidnyaev N.I. Flow over hypersonic aircraft in the conditions of surface destruction (Obtekanie giperzvukovykh letatel'nykh apparatov v usloviyakh poverkhnostnogo razrusheniya). Physmatlit, 2017, 304 p (in Russ.).Ganiev, Y.C. Aerodynamic drag reduction by plasma and hot-gas injection [Text] / Y.C. Ganiev [et al.] // Journal of Thermophysics and Heat Transfer. – 2000. – Vol. 14. – No. 1. – P. 10–17.Ong C., Braun R.D., Ruffin S.M. A survey of hypersonic aerodynamics and aerothermodynamics for planetary reentry capsules. Proceedings of the 3rd International Planetary Probe Workshop , 2005, pp. 1–6 (in Eng.).Chuvashev, S. Modeling of Plasmas in Electron Beams and Plasma Jets for Aerodynamic Applications / S. Chuvashev [et al.] // 32nd AIAA Plasmadynamics and Lasers Conference and 4th Weakly Ionized Gases Workshop. Anaheim, CA.: AIAA, 11–14 June 2001. – 15 p.Ganiev Y.C., Gordeev V.P., Krasilnikov A.V., Lagutin V. I., Otmennikov V. N., Panasenko A.V. Aerodynamic drag reduction by plasma and hot-gas injection. Journal of Thermophysics and Heat Transfer, 2000;(14)10–17 (in Eng.).Huang, W. A survey of drag and heat reduction in supersonic flows by a counter flowing jet and its combinations [Text] / W. Huang //Journal of Zhejiang University SCIENCE A. – 2015. – Vol. 16. – Iss. 7. – P. 551–561.Chuvashev S., Ardelyan N., Bytchkov V., Kosmachevskii K., Malmuth N. Modeling of Plasmas in Electron Beams and Plasma Jets for Aerodynamic Applications. Proceedings of the 32nd AIAA Plasmadynamics and Lasers Conference and 4th Weakly Ionized Gases Workshop, 2001, pp. 1–15 (in Eng.).Чувашев, С.Н. Альтернативная энергетика гиперзвукового движения при активном воздействии на поток [Текст] / С.Н. Чувашев, Е.С. Чувашева // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2014. – № 18. – C. 95–110.Huang W. A survey of drag and heat reduction in supersonic flows by a counter flowing jet and its combinations. Journal of Zhejiang University SCIENCE A, 2015;(16)551–561 (in Eng.).Чувашева, Е.С. Об эффективности применения изобарических режимов на гиперзвуковых летательных аппаратах [Текст] / Е.С. Чувашева, С.Н. Чувашев // Мехатроника, автоматизация, управление. – 2015. – Т. 16. – С. 642–647.Chuvashev S.N., Chuvasheva E.S. Alternative energy of hypersonic moving with active impact on the flow (Al'ternativnaya energetika giperzvukovogo dvizheniya pri aktivnom vozdeistvii na potok). International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2014;(18)95–110 (in Russ.).Чувашев, С.Н. Безударное сверхзвуковое движение в атмосфере: принципиальная возможность и практическая реализация [Текст] / С.Н. Чувашев, А.Ф. Александров, И.Б. Тимофеев // Прикладная физика. – 1996. – № 3. – с. 112–117Chuvasheva E.S., Chuvashev S.N. On the effectiveness of the application of isobaric regimes on hypersonic aircraft (Ob effektivnosti primeneniya izobaricheskikh rezhimov na giperzvukovykh letatel'nykh apparatakh). Mekhatronika, avtomatizatsiya, upravlenie, 2015;16:642–647 (in Russ.).Чувашев, С.Н. Концепция космического аппарата с лучевой плазмообразующей системой для полетов по сверхнизким орбитам [Текст] / С.Н. Чувашев, Ф.Н. Любченко, О.Ф. Костенко // 4 Межгосударственный симпозиум по радиационной плазмодинамике. – М.: МГТУ, 1997. – С. 206–207.Chuvashev S.N., Aleksandrov A.F., Timofeev I.B. Non shock supersonic moving through the atmosphere: principal opportunity and practical implementation (Bezudarnoe sverkhzvukovoe dvizhenie v atmosphere: printsipial’naya vozmozhnost’ I prakticheskaya realizatsiya), Applied physics, 1996;(3)112–117 (in Russ.).Сhuvashev, S. Ambient air modification for drag reduction. Similarity analysis results for modeling of weakly ionized plasma aerodynamics / S. Сhuvashev [et al.] // Weakly ionized gases workshop: Proc. Colorado: USAFAcademy. 1997. – P. M3-M17Chuvashev S.N., Lyubchenko F.N., Kostenko O.F. Concept of the spacecraft with the plasma generating beam system for ultra-low orbit flight (Kontseptsiya kosmicheskogo apparata s luchevoi plazmoobrazuyushchei sistemoi dlya poletov po sverkhnizkim orbitam). Proceedings of the 4th International Symposium in Radiation Plasma Dynamics, 1997, pp. 206–207 (in Russ.).Ершов, А.П. Экспериментальная реализация формирования горячего канала и сверхзвукового движения плазменного тела в атмосфере без возбуждения ударных волн / А.П. Ершов [и др.] // 4 Межгосударственный симпозиум по радиационной плазмодинамике: М.: МГТУ, 1997. − С. 124−125Сhuvashev S., Ershov A., Liagushin B., Timofeev B., Timofeev I. Ambient air modification for drag reduction. Similarity analysis results for modeling of weakly ionized plasma aerodynamics. Proceedings of the Weakly ionized gases workshop, 1997, pp. M3–M17 (in Eng.).Арделян Н.В., Чувашев С.Н. Вычислительные эксперименты по устранению сильных ударных волн и многократному снижению лобового сопротивления при сверхзвуковом движении тел в газах / Н.В. Арделян, С.Н. Чувашев // 7 Всеросс. Школа-Ershov A.P., Timofeev I.B., Chuvashev S.N., Shibkov V.M. Experimental implementation of the forming of the hot channel and supersonic moving of the plasma body through the atmosphere without shock excitation (Eksperimental’naya realizatsiya formirovaniya goryachego kanala I sverkhzvukovogo dvizheniya plazmennogo tela v atmosphere bez vozbuzhdeniya udarnykh voln). Proceedings of the 4th International Symposium in Radiation Plasma Dynamics, 1997, pp. 124–125 (in Russ.).семинар «Современные проблемы математического моделирования», Ростов-на-Дону, РГУ. Труды. 1997. − С. 11−14.Ardelyan N.V., Chuvashev S.N. Computer experiment on the elimination of the shock waves and multifold decreasing of drag force at supersonic flight through the gases (Vychislitel’nye eksperimenty po ustraneniyu sil’nykh udarnykh voln I mnogokratnomu snizheniyu lobovogo soprotivleniya pri sverkhzvukovom dvizhenii tel v gazakh). Proceedings of the 7th AllRussian Workshop “Modern problems of mathematical modeling”, 1997, pp. 11–14 (in Russ.).Ершов, А.П. Наблюдение безударного сверхзвукового движения плазмы капиллярного разряда в атмосфере / А.П. Ершов [и др.] // 4 Межгосударственный симпозиум по радиационной плазмодинамике: М.: МГТУ,1997. − C. 122−123.Ershov A.P., Rozanov V.V., Sysoev N.N., Timofeev I.B., Chuvashev S.N., Shibkov V.M. Observation of non shock supersonic moving of capillary discharge through the atmosphere (Nablyudenie bezudarnogo sverkhzvukovogo dvizheniya plazmy kapillyarnogo razryada v atmosphere). Proceedings of the 4th International Symposium in Radiation Plasma Dynamics, 1997, pp. 122–123 (in Russ.).Bityurin, V.A. Non-Thermal Plasma Aerodynamics Effects / V.A. Bityurin, A.I. Klimov // 43rd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Aerospace Sciences Meetings. – 2005. − AIAA Paper No. 2005-0978.Bityurin V.A., Klimov A.I. Non-Thermal Plasma Aerodynamics Effects. Proceedings of the 43rd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 2005, pp. 1–9 (in Eng.).Chuvashev, S.N. Flow Around Body and Characteristics of AC/DC Discharges in Plasma Aerodynamic Experiments / S. Chuvashev [et. al] // 2-nd Weakly Ionized Gases Workshop: Proc. Norfolk, VA: NASA, 1998. − P. 59−67.Chuvashev S.N., Ershov A.P., Klimov A.I., Leonov S.B., Shibkov V.M., Timofeev I.B. FlowЧувашев, С.Н. Исследования по снижению энергозатрат и тепловых нагрузок при высокоскоростном движении [Текст] / С.Н. Чувашев [и др.] // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). − 2015. − № 20. − С. 74−91.Around Body and Characteristics of AC/DC Discharges in Plasma Aerodynamic Experiments. Proceedings of 2-nd Weakly Ionized Gases Workshop, 1998, pp. 59–67 (in Eng.).Сhuvashev, S. Ambient air modification for drag reduction. Similarity analysis results for modeling of weakly ionized plasma aerodynamics / S. Сhuvashev [et al.] // Weakly ionized gases workshop: Proc. Colorado: USAFAcademy, 1997. − P. M3−M17.Chuvashev S.N., Chuvasheva E.S., Kutyrev M.V., Braun E.S. Research on Reduction of Fuel Consumption and Aerodynamic Heating Load at High Speed (Issledovaniya po snizheniyu energozatrat I teplovykh nagruzok pri vysokoskorostnom dvizhenii). International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2015;(20)74−91 (in Eng.).Chuvashev, S. Class of energy saving regimes of supersonic propagation with plasma formation before streamlined bodies / S. Chuvashev [et al.] // 9-th int. Space planes and hypersonic systems and technologies conference. 3-rd weakly ionized gases symposium.Aiaa-99-4968. Norfolk, Virginia, USA. − 1999. − P. 2.85−2.96.Сhuvashev S., Ershov A., Liagushin B., Timofeev B., Timofeev I. Ambient air modification for drag reduction. Similarity analysis results for modeling of weakly ionized plasma aerodynamics. Proceedings of Weakly ionized gases workshop, 1997, pp. M3−M17 (in Eng.).Ландау, Л.Д. Гидродинамика / Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. − М.: Наука, 1986. − 746 с.Ardelyan N., Chae J., Chuvashev S., Kosmachevskii C., Timofeev I. Class of energy saving regimes of supersonic propagation with plasma formation before streamlined bodies. Proceedings of the 9-th int. Space planes and hypersonic systems and technologies conference, 1999, pp. 2.85−2.96. (in Eng.).Reynolds, W.C. Thermodynamic Properties in SI: Graphs, Tables, and Computational Equations for 40 Substances / W.C. Reynolds. − NY: Stanford University, 1979. − 536 p.Landau L.D., Lifshits E.M. Hydrodynamics (Gidrodinamika), Nauka,1986; 746 p. (in Russ.).Menter, F.R. Review of the SST Turbulence Model Experience from an Industrial Perspective [Text] / F.R. Menter // International Journal of Computational Fluid Dynamics. − 2009. − Vol. 23. − P. 305−316.Reynolds W. C. Thermodynamic Properties in SI: Graphs, Tables, and Computational Equations for 40 Substances, Stanford University, 1979, pp. 536 p. (in Eng.).Wilcox, D.C. Turbulent modeling for CFD / D.C. Wilcox. − DCW Industries: La Canada, 1998. − 540 p.Menter F.R. Review of the SST Turbulence Model Experience from an Industrial Perspective. International Journal of Computational Fluid Dynamics, 2009;(23)305−316 (in Eng.).Chima, R.V. Comparison of the AUSM+ and HCUSP Schemes for Turbomachinery Applications / R.V. Chima, M.S. Liou. − ReportNASATM-2003-212457. − 2003. − 11 p.Wilcox D. C. Turbulent modeling for CFD, Industries: La Canada, 1998, 540 p. (in Eng.).Chima R.V. Comparison of the AUSM+ and HCUSP Schemes for Turbomachinery Applications. Report NASA TM-2003-212457, 2003, 11 p. (in Eng.).Chima R.V. Comparison of the AUSM+ and HCUSP Schemes for Turbomachinery Applications. Report NASA TM-2003-212457, 2003, 11 p. (in Eng.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.