Численное моделирование наземного эксперимента HIFiRE-1

Рассмотрена задача численного моделирования наземного эксперимента HIFiRE-1. Геометрия летательного аппарата представлена в виде острого или затупленного конуса, переходящего в цилиндр с юбкой. При компьютерном моделировании проведено исследование аэродинамики двух конфигураций летательного аппарата --- с острой и затупленной носовой частью с радиусом скругления 2,5 мм. Расчеты аэродинамики выполнены с помощью программного комплекса UST3D, предназначенного для численного моделирования аэротермодинамики высокоскоростных летательных аппаратов произвольной конфигурации и разработанного в Институте проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН. Данный компьютерный код реализует модель вязкого сжимаемого теплопроводного газа, описываемую пространственной нестационарной системой уравнений Навье --- Стокса, решаемых на трехмерных неструктурированных тетраэдральных сетках. Проведено сравнение распределения давления в хвостовой части летательного аппарата, полученного в результате компьютерного моделирования, с экспериментальными данными наземных испытаний в аэродинамической трубе. Выполнен анализ зависимости сходимости результатов от степени подробности используемой расчетной сетки. Методами вычислительной аэродинамики исследовано возмущенное поле течения во всей расчетной области от головной ударной волны до дальнего следа при различных числах Маха и углах атаки

Литература

[1] Нейланд В.Я., Боголепов В.В., Дудин Г.Н. и др. Асимптотическая теория сверхзвуковых течений вязкого газа. М., Физматлит, 2003.

[2] Лунев В.В. Гиперзвуковая аэродинамика. М., Машиностроение, 1975.

[3] Суржиков С.Т. Расчетное исследование аэротермодинамики гиперзвукового обтекания затупленных тел на примере анализа экспериментальных данных. М., ИПМех РАН, 2011.

[4] Железнякова А.Л., Суржиков С.Т. Применение метода расщепления по физическим процессам для расчета гиперзвукового обтекания пространственной модели летательного аппарата сложной формы. ТВТ, 2013, т. 51, № 6, с. 897--911.

[5] Железнякова А.Л., Суржиков С.Т. Численное моделирование поля течения при входе в атмосферу Земли спускаемого аппарата с аэродинамическим качеством. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2009, № 2, c. 3--25.

[6] Surzhikov S.T. Validation of computational code UST3D by the example of experimental aerodynamic data. J. Phys.: Conf. Ser., 2017, vol. 815, art. 012023.DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/815/1/012023

[7] Яцухно Д.С., Суржиков С.Т. Метод расщепления по физическим процессам в задаче моделирования обтекания перспективного высокоскоростного летательного аппарата. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2018, № 1, с. 20--33. DOI: https://doi.org/10.18698/0236-3941-2018-1-20-33

[8] Железнякова А.Л., Суржиков С.Т. Численное моделирование гиперзвукового обтекания цилиндра. Физико-химическая кинетика в газовой динамике, 2008, т. 7. URL: http://chemphys.edu.ru/issues/2008-7/articles/470

[9] Johnson H.B., Alba C.R., Candler G.V., et al. Boundary-layer stability analysis of the hypersonic international flight research transition experiments. J. Spacecr. Rockets, 2008, vol. 45, no. 2, pp. 228--236. DOI: https://doi.org/10.2514/1.31878

[10] Kimmel R.L., Adamczak D., Gaitonde D., et al. HIFiRE-1 boundary layer transition experiment design. 45th AIAA Aerospace Sc. Meeting and Exhibit, 2007. DOI: https://doi.org/10.2514/6.2007-534

[11] Wadhams T.P., Mundy E., MacLean M.G., et al. Ground test studies of the HIFiRE-1 transition experiment. Part 1: experimental results. J. Spacecr. Rockets, 2008, vol. 45, no. 6, pp. 1134--1148. DOI: https://doi.org/10.2514/1.38338

[12] MacLean M.G., Wadhams T.P., Holden M., et al. Ground test studies of the HIFiRE-1 transition experiment. Part 2: computational analysis. J. Spacecr. Rockets, 2008, vol. 45, no. 6, pp. 1149--1164. DOI: https://doi.org/10.2514/1.37693

[13] Marvin J.G., Brown J.L., Gnoffo P.A. Experimental database with baseline CFD solutions: 2-D and axisymmetric hypersonic shock-wave/turbulent-boundary-layer interactions. AIAAJ, 2016, vol. 54, no. 5, pp. 39--47. DOI: https://doi.org/10.2514/1.J054505

[14] Li F., Choudhari M., Chang C.L., et al. Transition analysis for the HIFiRE-1 flight experiment. 41st AIAA Fluids Dynamics Conf., 2011. DOI: https://doi.org/10.2514/6.2011-3414

[15] Stanfield S.A., Kimmel R.L., Adamczak D.W. HIFiRE-1 flight data analysis: turbulent shock-boundary-layer interaction experiment during ascent. 42nd AIAA Fluid Dynamics Conference and Exhibit, 2012. DOI: https://doi.org/10.2514/6.2012-2703

[16] Kimmel R.L., Adamczak D.W., Paull A., et al. HIFiRE-1 ascent-phase boundary-layer transition. J. Spacecr. Rockets, 2015, vol. 52, no. 1, pp. 217--230. DOI: https://doi.org/10.2514/1.A32851

[17] Kimmel R.L., Adamczak D.W., Borg M.P. First and fifth hypersonic international flight research experimentation’s flight and ground tests. J. Spacecr. Rockets, 2019, vol. 56, no. 2, pp. 421--431. DOI: https://doi.org/10.2514/1.A34287

[18] Kimmel R.L., Adamczak D.W., Borg M.P., et al. HIFiRE-1 and -5 flight and ground tests. AIAA Aerospace Sciences Meeting, 2018. DOI: https://doi.org/10.2514/6.2018-0056

[19] Surzhikov S.T. Calculation analysis of the experimental data of HIFiRE-1 using the computer code NERAT-2D. J. Phys.: Conf. Ser., 2018, vol. 1009, art. 012001. DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/1009/1/012001

[20] Суржиков С.Т. Компьютерная аэрофизика спускаемых космических аппаратов. Двухмерные модели. М., Физматлит, 2018.

[21] Белоцерковский О.М., Давыдов Ю.М. Метод крупных частиц в газовой динамике. М., Наука, 1982.