О РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБАРИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ АКТИВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ПОТОК ПРИ ИНЖЕКЦИИ ТЯЖЁЛЫХ И ХОЛОДНЫХ ГАЗОВ

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. 

1. Pezzella, 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.

2. 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.

3. Сидняев, Н.И. Обтекание гиперзвуковых летательных аппаратов в условиях поверхностного разрушения / Н.И. Сидняев. – М.: Физматлит, 2017. – 304 с.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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. 112–117

11. 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.

12. 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

13. 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. 124−125

14. 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-

15. семинар «Современные проблемы математического моделирования», Ростов-на-Дону, РГУ. Труды. 1997. − С. 11−14.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. Чувашев, 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.

20. 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.

21. 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.

22. Ландау, Л.Д. Гидродинамика / Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. − М.: Наука, 1986. − 746 с.

23. Reynolds, W.C. Thermodynamic Properties in SI: Graphs, Tables, and Computational Equations for 40 Substances / W.C. Reynolds. − NY: Stanford University, 1979. − 536 p.

24. 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.

25. Wilcox, D.C. Turbulent modeling for CFD / D.C. Wilcox. − DCW Industries: La Canada, 1998. − 540 p.

26. 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.