Журналов:     Статей:        

Математика и математическое моделирование. 2016; : 38-54

Исследование неустойчивости Тейлора-Гертлера в струях с помощью кинетического подхода

Ровенская О. И., Аристов В. В., Фархутдинов Т. И.

Аннотация

С помощью прямого метода решения S-модельного кинетического уравнения Больцмана численно исследуются течения в сверхзвуковых нерасчетных струях. Алгоритм ре-шения основан на явно-неявной схеме и для повышения эффективности распараллелен с помощью MPI (Message Passing Interface). Расчеты выполнены на суперкомпьютере MVS-100K. Изучается влияние геометрии отверстия и степени разреженности газа на механизм возникновения неустойчивости Тейлора-Гёртлера. Показано, что для течений при больших числах Кнудсена (малых числах Рейнольдса) неустойчивость не возникает. При переходе к закритическим режимам (малые числа Кнудсена) в поле течения возникает система продольных вихрей, соответствующая неустойчивости Тейлора-Гёртлера, что согласуется с теоретическим и опытным данными. Кроме того, при наличии дополнительного возмущающего фактора - шероховатости по периметру отверстия, обнаружена потеря поперечной симметрии струи вниз по потоку. DOI: 10.7463/mathm.0116.0833621
Список литературы

1. Floryan J.M. On the Görtler instability of boundary layers // Progress in Aerospace Sciences. 1991. Vol. 28. Pp. 235-271.

2. Krothapalli A., Buzyna G., Lourenco L. Streamwise vortices in an underexpanded axisymmetric jet // Physics of Fluids A. 1991. Vol. 3. Pp. 1848-1851.

3. Arnette S.A., Samimy M., Elliott G.S. On streamwise vortices in high Reynolds number supersonic axisymmetric jets // Physics of Fluids A. 1993. Vol. 5. Pp. 187-202.

4. Запрягаев В.И., Киселев Н.П., Павлов А.А. Влияние кривизны линий тока на интенсивность продольных вихрей в слое смешения сверхзвуковых струй // Прикладная Механика и Техническая Физика, 2004. Т.45, №3. С. 32-43.

5. Запрягаев В.И., Солотчин А.В. Экспериментальное исследование влияния шероховатости сопла на продольные вихревые образования в сверхзвуковой струе // Прикладная Механика и Техническая Физика, 1997. Т.38, №5. С. 86-96.

6. Запрягаев В.И., Солотчин А.В. Развитие продольных вихрей при наличии микронеровностей внутренней поверхности сопла // Известия. РАН. Механика жидкости и газа, 1997. №3. С. 180-185.

7. Novopashin S.A., Perepelkin A.L. Axial symmetry loss of a supersonic preturbulent jet // Physical Letters. 1989. Vol. 135, N 4/5. Pp. 290-293. DOI: 10.1016/0375-9601(89)90116-3

8. Liepman D., Gharib M. The role of streamwise vortices in near-field entrainment of round jets // Journal of Fluid Mechanics. 1992. Vol. 245. Pp. 643-667.

9. Usami M. Teshima K. Three dimensional simulation on deformation of jet boundary in an underexpanded axisymmetric jet // Proc. 24th Intern. Symp on Rarefied Gas Dynamics. AIP Conference Proceedings. Vol. 762. Melville. New York. 2005. Pp. 401-406.

10. Aristov V.V. Direct methods for solving the Boltzmann equation and study of nonequilibrium flows. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 2001. 302 p.

11. Шахов Е.М. Об обобщении релаксационного кинетического уравнения Крука // Известия АН СССР. Механика жидкости и газа. 1968. №5. С. 142-145.

12. Ровенская О.И. Исследование эволюции вихревой системы на основе решения уравнения Больцмана // Журнал вычислительной математики и математической физики, 2007. Т. 47. № 9. С. 1609-1615

13. Aristov V.V., Rovenskaya O.I., Application of the Boltzmann kinetic equation to the eddy problems // Computers & Fluids. 2011. Vol.50, Pp. 189-198. DOI: 10.1016/j.compfluid.2011.07.007

14. Aristov V.V., Rovenskaya O.I. Kinetic description of the turbulence in the supersonic compressible flow over a backward/forward-facing step // Computers & Fluids. 2015. Vol. 111. Pp. 150-158. DOI: 10.1016/j.compfluid.2015.01.012

15. Аристов В.В. Изучение устойчивых и неустойчивых свободных струйных течений на основе уравнения Больцмана // Известия РАН. Механика жидкости и газа. 1998. №2. С. 153-157.

16. Аристов В.В., Забелок С.А., Фролова А.А. Структура свободных сверхзвуковых струй, изучаемая с помощью уравнения Больцмана // Математическое моделирование. 2004. Т.16, № 6. С. 31-34.

17. Chyczewski T.S. A time dependent three dimensional numerical study of supersonic rectangular jet flow and noise using the full Navier-Stokes equations // Ph.D. thesis. 1996.

18. J.R. DeBonis J.N. Scott Large -Eddy Simulation of a Turbulent Compressible Round Jet // AIAA Journal. 2002. Vol. 40, № 7. Pз. 1346-1354. DOI: 10.2514/2.1794

Mathematics and Mathematical Modeling. 2016; : 38-54

Kinetic Approach-based Investigation of TaylorGörtler Instability in Jets

Rovenskaya O. I., Aristov V. V., Farkhutdinov T. I.

Abstract

The aim of the paper is to study the unstable processes in free supersonic unstable jet flows. The direct method of solving a kinetic equation is used. For numerical solution the finitedifferent schemes are applied. To perform parallel computations a supercomputer MVS-100K is used. The maximum number of processors was 480. A mechanism of instability for a supercritical regime for 3D flows is investigated. Solutions of these problems are made for flows in a wide range of Knudsen number Kn with different aspect ratio of the orifice (square and rectangular forms). Mach number Ma = 1.4 and a ratio of pressure in the orifice and the background pressure np = 3.16. Comparison with results of known experiments is made. In calculations we have observed that for a subcritical regime with the large Knudsen numbers (small Reynolds numbers) a vorticity of the flow fields in the cross sections is equal zero. For supercritical regimes a system of streamwise pair vortices is obtained. That corresponds to theoretical and experimental data. The paper studies such a system of the Taylor-Görtler vortices in different cross-sections in an initial region of a jet. It presents results of numerous computations. When modeling a roughness in the nozzle orifice it has been found that the character of instability with disturbance of the symmetry in the cross-sections downstream is complicated. Based on direct method to solve the kinetic equation the paper, for the first time, studies in detail the character of 3D instability.

Previously, these problems were solved by continuum methods and also for some variants of flows was used the Direct Simulation Monte Carlo method. A potential field of application of the given results is theoretical and experimental investigations with more detailed, in comparison with previous studies, description of unstable supersonic flows, which show the similar features of the Taylor-Görtler instability. Based on conducted study the paper comes to conclusion that the direct methods of the kinetic approach allow us to describe appropriately a mechanism of the transition to the unstable flows in supersonic jets. We believe that a further study will make it possible to show up the characteristics of turbulence in free supersonic jets.

References

1. Floryan J.M. On the Görtler instability of boundary layers // Progress in Aerospace Sciences. 1991. Vol. 28. Pp. 235-271.

2. Krothapalli A., Buzyna G., Lourenco L. Streamwise vortices in an underexpanded axisymmetric jet // Physics of Fluids A. 1991. Vol. 3. Pp. 1848-1851.

3. Arnette S.A., Samimy M., Elliott G.S. On streamwise vortices in high Reynolds number supersonic axisymmetric jets // Physics of Fluids A. 1993. Vol. 5. Pp. 187-202.

4. Zapryagaev V.I., Kiselev N.P., Pavlov A.A. Vliyanie krivizny linii toka na intensivnost' prodol'nykh vikhrei v sloe smesheniya sverkhzvukovykh strui // Prikladnaya Mekhanika i Tekhnicheskaya Fizika, 2004. T.45, №3. S. 32-43.

5. Zapryagaev V.I., Solotchin A.V. Eksperimental'noe issledovanie vliyaniya sherokhovatosti sopla na prodol'nye vikhrevye obrazovaniya v sverkhzvukovoi strue // Prikladnaya Mekhanika i Tekhnicheskaya Fizika, 1997. T.38, №5. S. 86-96.

6. Zapryagaev V.I., Solotchin A.V. Razvitie prodol'nykh vikhrei pri nalichii mikronerovnostei vnutrennei poverkhnosti sopla // Izvestiya. RAN. Mekhanika zhidkosti i gaza, 1997. №3. S. 180-185.

7. Novopashin S.A., Perepelkin A.L. Axial symmetry loss of a supersonic preturbulent jet // Physical Letters. 1989. Vol. 135, N 4/5. Pp. 290-293. DOI: 10.1016/0375-9601(89)90116-3

8. Liepman D., Gharib M. The role of streamwise vortices in near-field entrainment of round jets // Journal of Fluid Mechanics. 1992. Vol. 245. Pp. 643-667.

9. Usami M. Teshima K. Three dimensional simulation on deformation of jet boundary in an underexpanded axisymmetric jet // Proc. 24th Intern. Symp on Rarefied Gas Dynamics. AIP Conference Proceedings. Vol. 762. Melville. New York. 2005. Pp. 401-406.

10. Aristov V.V. Direct methods for solving the Boltzmann equation and study of nonequilibrium flows. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 2001. 302 p.

11. Shakhov E.M. Ob obobshchenii relaksatsionnogo kineticheskogo uravneniya Kruka // Izvestiya AN SSSR. Mekhanika zhidkosti i gaza. 1968. №5. S. 142-145.

12. Rovenskaya O.I. Issledovanie evolyutsii vikhrevoi sistemy na osnove resheniya uravneniya Bol'tsmana // Zhurnal vychislitel'noi matematiki i matematicheskoi fiziki, 2007. T. 47. № 9. S. 1609-1615

13. Aristov V.V., Rovenskaya O.I., Application of the Boltzmann kinetic equation to the eddy problems // Computers & Fluids. 2011. Vol.50, Pp. 189-198. DOI: 10.1016/j.compfluid.2011.07.007

14. Aristov V.V., Rovenskaya O.I. Kinetic description of the turbulence in the supersonic compressible flow over a backward/forward-facing step // Computers & Fluids. 2015. Vol. 111. Pp. 150-158. DOI: 10.1016/j.compfluid.2015.01.012

15. Aristov V.V. Izuchenie ustoichivykh i neustoichivykh svobodnykh struinykh techenii na osnove uravneniya Bol'tsmana // Izvestiya RAN. Mekhanika zhidkosti i gaza. 1998. №2. S. 153-157.

16. Aristov V.V., Zabelok S.A., Frolova A.A. Struktura svobodnykh sverkhzvukovykh strui, izuchaemaya s pomoshch'yu uravneniya Bol'tsmana // Matematicheskoe modelirovanie. 2004. T.16, № 6. S. 31-34.

17. Chyczewski T.S. A time dependent three dimensional numerical study of supersonic rectangular jet flow and noise using the full Navier-Stokes equations // Ph.D. thesis. 1996.

18. J.R. DeBonis J.N. Scott Large -Eddy Simulation of a Turbulent Compressible Round Jet // AIAA Journal. 2002. Vol. 40, № 7. Pz. 1346-1354. DOI: 10.2514/2.1794