Numerical modeling of shock waves interference interaction near a plate with cylindrical bluntness
Using the author’s computer code, a numerical study of interference interaction structure of impinging and reflected shock waves was complete at different relative positions of plate with a cylindrical bluntness and of shock wave generator. Numerical modeling of heat exchange parameters was complete in greatest plate heating areas in high-speed flow. Density gradient distribution that correspond with shadowgraph of interference interaction different types was received. Validation of numerical modeling results was performed.
С использованием авторского компьютерного кода выполнено численное исследование структуры интерференционного взаимодействия падающей и отошедшей ударных волн при различном взаимном расположении пластины с цилиндрическим притуплением и генератора скачка уплотнения. Проведено численное моделирование параметров теплообмена в областях наибольшего нагрева пластины при высокоскоростном обтекании. Получены поля распределений градиента плотности, соответствующие теневым картинам интерференционных взаимодействий III и IV рода. Выполнена валидация результатов численного моделирования.
1. Боровой В.Я., Егоров И.В., Мошаров В.Е., Скуратов А.С., Радченко В.Н. Экстремальный нагрев тел в гиперзвуковом потоке: Газодинамические явления и их характеристики. М.: Наука, 2018. 390 с. 2. Ferry A. Experimental results with airfoils tested in the high-speed tunnel at Guidonia // NACA TM-946, July 1940. 3. Chapman D.R. An analysis of base pressure at supersonic velocities and comparison with experiment // NACA-TR-1051, January 1951. 4. Gadd G.E. Interactions between wholly laminar or wholly turbulent boundary layers and shock waves strong enough to cause separation // J. Aero. Sci. November 1953. Vol. 20, No. 11. P. 239-255. 5. Bogdanoff S.M., Kepler C.E. Separation of a supersonic turbulent boundary layer // J. Aero. Sci. June 1955. Vol., No. 6. P. 414-430. 6. Chapman D.R., Kuehn D.M., Larson H.K. Investigation of separated flows in supersonic and subsonic streams with emphasis on the effect of transition // NACA Rep. 1958. No. 1356. 40 p. 7. Erdos J., Pallone A. Shock-boundary layer interaction and flow separation // Proc. Of the Heat Transfer and Fluid Mech. Institute. 1962. 8. Nash J.F. An analysis of two-dimensional base flow including the effect of the approaching boundary layer // ARC RM. 1963. No. 3344. 39 p. 9. Bushnell D.M., Weinstein L.M. Correlation of peak heating for reattachment of separation flows // J. Spacecreaft. 1968. Vol. 5, No. 9. 10. Чжен П. Отрывные течения. М.: Мир, 1972. 916 с. 11. Holden S.M. Boundary layer displacement and leading edge bluntness effects on attached and separated laminar boundary layers in compression corner. Part II: experimental study // AIAA Journal. 1971. No. 1. P. 84-93. 12. Coleman G.T., Stollery J.L. Heat transfer from hypersonic turbulent flow at wedge compression corner // Journal of Fluid Mechanic. 1972. Vol. 56, No. 4. P. 741-752. 13. Knight D., Yan H., Panaras A.G., Zheltovodov A. Advances in CFD prediction of shock wave turbulent boundary layer interactions // Progr. in Aerospace Sci. 2003. Vol. 39, No. 2-3. P. 121-184. 14. Cheng H.K., Hall J.G., Golian T.C., Hertzberg A. Boundary-layer displacement and leading-edge bluntness effects in high-temperature hypersonic flow // J. Aerospace Sci. 1961. Vol. 28, No. 5. P. 353-381. 15. Тетерин М.П. Исследование течения газа в области падения скачка уплотнения на цилиндр, обтекаемый потоком большой сверхзвуковой скорости // Изв. АН СССР. МЖГ. 1967. №2. С. 143-147. 16. Тетерин М.П. Исследование течения газа и теплопередачи в области падения скачка уплотнения на цилиндр, обтекаемый потоком большой сверхзвуковой скорости // Изв. АН СССР. МЖГ. 1967. № 3. С. 92-97. 17. Войтенко Д.М., Зубков А.И., Панов Ю.А. Обтекание цилиндрического препятствия на пластине сверхзвуковым потоком газа // Изв. АН СССР. МЖГ. 1966. № 1. С. 121-125. 18. Войтенко Д.М., Зубков А.И., Панов Ю.А. Обтекание наклонного препятствия сверхзвуковым потоком // Изв. АН СССР. МЖГ. 1969. № 6. С. 149-153. 19. Авдуевский В.С., Медведев К.И. Физические особенности течения в трехмерных отрывных зонах // Тепло-массоперенос. Т. 1. М.: Изд-во «Энергия», 1968. С. 140-147. 20. Edney B. The effects of shock impingement on the heat transfer around blunt bodies at M equal 4.6 and 7 // 2nd Aerodynamic Testing Conference. 1966. 21. Edney B. Anomalous heat transfer and pressure distributions on blunt bodies at hypersonic speeds in the presence of an impinging shock // Aeron. Res. Institute of Sweden. 1968. Report №115. 93 p. 22. Edney B. Effects of shock impingement on the heat transfer around blunt bodies // AIAA J. 1968. Vol. 6, No. 1. P. 15-21. 23. Hains F.D., Keyes J.W. Shock interference heating in hypersonic flows // AIAA J. 1973. Vol. 10, No. 11. P. 1441-1447. 24. Keyes J.W., Hains F.D. Analytical and experimental studies of shock interference heating in hypersonic flows // NASA TN D-1739. 1973. 137 p. 25. Wieting A.R., Holden M.S. Experimental shock-wave interference heating on a cylinder at Mach 6 and 8 // AIAA J. 1989. Vol. 27, No. 11. P. 1557-1565. 26. Holden M., Kolly J. Measurements of heating in regions of shock/shock interaction in hypersonic flow // AIAA. Paper 95-0640. Jan. 1995. 27. Росляков Г.С., Старых А.Л., Усков В.Н. Интерференция стационарных скачков уплотнения одного направления // Изв. АН СССР. МЖГ. 1987. №4. С. 143-152. 28. Шманенкова Г.А. О взаимодействии внешнего скачка уплотнения с затупленным телом в гиперзвуковом потоке // Изв. АН СССР. МЖГ. 1976. № 1. С. 97-103. 29. Землянский Б.А., Лесин А.Б., Лунев В.В., Шманенкова Г.А. Об интерференции косых скачков уплотнения одного семейства в гиперзвуковом потоке // Изв. АН СССР. МЖГ. 1982. № 5. С. 134-138. 30. Borovoy V. Ya., Chinilov A. Yu., Gusev V.N., Struminskaya I.V., Delery J., Chanetz B. Interference between a cylindrical bow shock and a plane oblique shock // AIAA Journal. 1997. Vol. 35, No. 11. P. 1721-1728. 31. Боровой В.Я., Струминская И.В. Теплообмен на цилиндре, обтекаемом гиперзвуковым потоком, в зоне падения скачка уплотнения // Изв. АН СССР. МЖГ. 1991. №3. С. 117-123. 32. Albertson C.W., Venkat V.S. Shock interaction control for scramjet cowl leading edges // AIAA 2005-3289, January 2005. 33. Glass C.E. Computer Program to Solve Two-Dimensional Shock-Wave Interference Problems with an Equilibrium Chemically Reacting air Model // NASA-TM-4187, August 1990. 34. Wieting A.R., Holden M.S. Experimental Study of Shock Wave Interference Heating on a Cylindrical Leading Edge at Mach 6 and 8 // AIAA Paper 87-1511, June 1987. 35. Holden M.S., Wieting A.R., Moselle J.R., Glass C.E. Studies of Aerothermal Loads Generated in Regions of Shock/Shock Interaction in Hypersonic Flow // AIAA Paper 88-0477, January 1988. 36. Wieting A.R. Multiple Shock/Shock Interference on a Cylindrical Leading Edge // AIAA Paper 91-1800, June 1991. 37. Keyes J.W., Hains F.D. Analytical and Experimental Studies of Shock Interference Heating in Hypersonic Flow // NASA-TN-D-7139, May 1973. 38. Thornton E.A., Pramote E. A Taylor Galerkin Finite Element Algorithm for Transient Nonlinear Thermal-Structural Analysis // AIAA Paper 86-0911, 1986. 39. Glass C.E., Holden M.S., Wieting, A.R. Effect of Leading Edge Sweep on Shock/Shock Interference at Mach 8 // AIAA Paper 89-0271, January 1989. 40. Котов М.А., Крюков И.А., Рулева Л.Б., Солодовников С.И., Суржиков С.Т. Обтекание моделей гиперзвуковых летательных аппаратов и простых геометрических форм в гиперзвуковой ударной аэродинамической трубе // Инженерный журнал: наука и инновации. 2016. Т. 57, вып. 9. 41. Котов М.А., Рулева Л.Б., Солодовников С.И., Суржиков С.Т. Обтекание сферических и конических объектов в гиперзвуковой ударной аэродинамической трубе // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2014. Т.15, вып. 1. 42. Котов М.А., Крюков И.А., Рулева Л.Б., Солодовников С.И., Суржиков С.Т. Обтекание цилиндра с клином в гиперзвуковой ударной аэродинамической трубе // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2015. Т.16, вып. 4. 43. Borovoy V.Y., Skuratov, A.S., Struminskaya, I.V. On the existence of a threshold value of the plate bluntness in the interference of an oblique shock with boundary and entropy layers // Fluid Dyn. 2008. Vol. 43. P. 369–379. 44. Боровой В.Я., Скуратов А.С., Струминская И.В. О существовании «пороговой» величины затупления пластины при интерференции косого скачка уплотнения с пограничным и энтропийным слоями // Механика жидкости и газа. 2008. Т. 43, вып. 3. С. 41-52. 45. Borovoi V.Y., Egorov I.V., Skuratov A.S., Struminskaya, I.V. Interaction between an Inclined Shock and Boundary and High-Entropy Layers on a Flat Plate // Fluid Dyn. 2005. Vol. 40. P. 911–928. 46. Боровой В.Я., Егоров И.В., Скуратов А.С., Струминская И.В. Взаимодействие косого скачка уплотнения с пограничным и высокоэнтропийным слоями плоской пластины // Механика жидкости и газа. 2005. Вып. 6. С. 89-108. 47. Котов М.А., Крюков И.А., Рулева Л.Б., Солодовников С.И., Суржиков С.Т. Расчетно-экспериментальное исследование структуры гиперзвукового потока в плоском канале сложной конфигурации // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2015. Т. 100, вып. 1. 48. Surzhikov S.T. Numerical Simulation of Shock-Wave Interaction with a Laminar Boundary Layer in a Hypersonic Flow around Models with a Kink in the Generatrix // Fluid Dyn. 2022. Vol. 57. P. 97–116. 49. Суржиков С.Т. Численное моделирование ударно-волнового взаимодействия с ламинарным пограничным слоем при гиперзвуковом обтекании моделей с изломом образующей // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2019. Т. 20, вып. 4. 50. Яцухно Д.С. Численные аспекты моделирования маховского отражения при нестационарном обтекании угла сжатия // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2025. Т. 26, вып. 8. 51. Суржиков С.Т. Численная интерпретация экспериментальных данных по аэродинамике модели HB-2 с использованием компьютерных кодов USTFEN и PERAT-3D // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2020. Т. 21, вып. 1. 52. 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, вып. 6. С. 897–911. 53. Железнякова А.Л., Суржиков С.Т. Расчет гиперзвукового обтекания тел сложной формы на неструктурированных тетраэдральных сетках с использованием схемы AUSM // ТВТ. 2014. Т. 52, вып. 2. С. 283−293. 54. Белоцерковский О.М., Давыдов Ю.М. Метод крупных частиц в газовой динамике. – М.: Наука, 1982. 391 с. 55. Kim K.H., Kim C., Rho O.H. Methods for the Accurate Computations of Hypersonic Flows I. AUSMPW+ Scheme. // Journal of Computational Physics. 2001. Vol. 174, №1. P. 38-80. 56. Liou M.S., Steffen C.J. A new flux splitting scheme // Journal of Computational physics. 1993. Vol. 107, №1. P. 23–39. 57. Kim K.H., Kim C., Rho O.H. Methods for the Accurate Computations of Hypersonic Flows I. AUSMPW+ Scheme. // Journal of Computational Physics. 2001. Vol. 174, №1. P. 38-80. 58. Сильвестров П.В. Определение аэродинамических характеристик перспективных летательных аппаратов с использованием комплекса авторских компьютерных кодов: диссертация ... кандидата физико-математических наук: 01.02.05 // Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук. – Москва, 2021. – 257 с.: ил. 59. Borovoy V.Ya., Chinilov A.Yu., Gusev V.N., Struminskaya I.V., Delery J., Chanetz B. Interference between a cylindrical bow shock and a plane oblique shock // AIAA J. 1997. V. 35, №11. P. 1721-1728. 60. Боровой В.Я., Бражко В.Н., Егоров И.В., Зайцев Е.Г., Скуратов А.С. Диагностика и численное моделирование течения в гиперзвуковых аэродинамических трубах импульсного действия // Ученые записки ЦАГИ. 2013. №5. 61. Borovoy V., Mosharov V., Noev A., Radchenko V. Temperature sensitive paint application for investigation of boundary layer transition in short-duration wind tunnels // EUCASS Proceedings Series – Advances in AeroSpace Sciences. 2012. №3. P. 15–24. 62. Vaganov A., Noev A., Radchenko V., Skuratov A., Shustov A. Laminar-turbulent transition reversal on blunt ogive body of revolution at hypersonic speeds // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering. 2020. Vol. 234, №1. P. 102–108. 63. Бирюков Э.С. Измерение параметров торможения в гиперзвуковом потоке // Труды Всероссийской научно-технической конференции «Студенческая весна 2012: Машиностроительные технологии». – М.: МГТУ им. Н.Э Баумана. 2012. 64. Fenster S.J. Stagnation-Point Heat Transfer for a New Binary Air Model Including Dissociation and Ionization // AIAA J. 1965. Vol. 3. № 12. P. 2189–2196. 65. Суржиков С.Т. Теплообмен и ионизация при неравновесном обтекании затупленной пластины гиперзвуковым потоком // Изв. РАН. МЖГ. 2021. №6. С. 109–124. 66. Gaitonde D.V., Miller J.H. Numerical Exploration of Shock Interaction Control with Plasma-based Techniques // AIAA 2003-3483. 2003. 67. Kandala R., Candler G.V. Numerical Studies of Laser-Induced Energy Deposition for Supersonic Flow Control // AIAA Journal. 2004. Vol. 42, No. 11. 68. Nowak R.J., Holden M.S., Wieting A.R. Shock/Shock Interference on a Transpiration Cooled Hemispherical Model // AIAA Paper 90-1643. 1990. 69. Beckwith I.E., Bushnell D.M. Effect of Intermittent Water Injection on Aerodynamic Heating of a Sphere-Cone at Flight Velocities to 18,000 feet per second // NASA TM X-1128. 1965. 70. Nowak R.J. Gas-Jet and Tangent-Slot Film Cooling Tests of a 12.5 degree Cone at Mach Number 6.7 // NASA TP 2786. 1988. 71. Warren C.H. An Experimental Investigation of the Effect of Ejecting a Coolant Gas at the Nose of a Bluff Body // J. Fluid Mech. 1960. Vol. 8, №3. P. 400-417. 72. Love E.S. The Effects of a Small Jet of Air Exhausting from the Nose of a Body of Revolution in a Supersonic Flow // NACA-RM-L52I19a. 1952. 73. Reding J.P., Jecman D.M. Drag Reduction via Hot Gas Injection // Lockheed Missiles and Space Company, TM-81-11/337. 1985. 74. Pamadi B.N. Forebody Drag Reduction // AIAA Journal. 1981. Vol. 19, №10. P. 1370-1372. 75. Bushnell D.M., Huffman J.K. Forward Penetration of Liquid Water and Liquid Nitrogen Injected from an Orifice at the Stagnation Point of a Hemispherically Blunted Body in Hypersonic Flow // NASA TM X-1493. 1968. 76. Romeo D.J., Sterrett J.R. Exploratory Investigation of the Effect of a Forward-Facing Jet on the Bow Shock of a Blunt Body in a Mach Number 6 Free Stream // NASA TN D-1605. 1963. 77. Prabhu R.K., Wieting A.R., Tharaja R.R. Computational Studies of a Fluid Spike as a Leading Edge Protection Device for Shock/Shock Interference Heating // AIAA Paper 91-1734. 1991. 78. Ишин Д.В. Использование электромагнитных актюаторов в аэродинамике // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2023. Т.24, вып. 6.