Einfluss seitlicher Einzelstrahlen auf den thermischen Schutz des Wiedereintrittskegels bei Mehrfachstrahlen

May 08, 2024

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 6549 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Die größte Herausforderung für die Weiterentwicklung aktueller Hochgeschwindigkeitsautomobile ist die aerodynamische Erwärmung. In dieser Studie wird die Anwendung von Seitenstrahlen zum Wärmeschutz von Hochgeschwindigkeitsfahrzeugen ausführlich untersucht. Die Simulation des seitlichen Kühlmittelstrahls erfolgt mittels computergestützter Strömungsdynamik im Hochgeschwindigkeitszustand. Das Hauptziel dieser Forschung besteht darin, eine optimale Strahlkonfiguration zur Reduzierung der aerodynamischen Erwärmung zu finden. Zwei verschiedene Kühlmittelstrahlen (Helium und Kohlendioxid) werden untersucht, während die Kühlmittelstrahl- und Strömungsstudie sowie der Kraftstoffdurchdringungsmechanismus vollständig vorgestellt werden. Darüber hinaus wird die thermische Belastung des Hauptkörpers des Nasenkegels für verschiedene Konfigurationen verglichen. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Injektion eines seitlichen Strahls in der Nähe der Spitze der Spitze wirksam für den Wärmeschutz des Hauptkörpers durch Ablenkung des Bugstoßes ist. Außerdem ist ein Kohlendioxidstrahl mit geringerer Diffusionsfähigkeit wirksamer für den Schutz des Vorderkörpers mit mehrreihiger Scheibe vor starker aerodynamischer Erwärmung.

In der Luft- und Raumfahrt sowie im Automobilbereich ist die aerodynamische Erwärmung als der Prozess der Erwärmung in der Nähe des Festkörpers aufgrund der Umwandlung der Hyperschall-/Überschallströmung in Energieterm1,2 bekannt. Obwohl es den Anschein hat, dass die Umwandlung von Impuls in Wärmeenergie ein einfacher Prozess ist, sind seine Auswirkungen auf die Strömung äußerst kompliziert3,4,5. Der Prozess der aerodynamischen Erwärmung findet hauptsächlich in der Nähe des Nasenkegels von Hochgeschwindigkeitsfahrzeugen statt. Dieser Prozess ist für diese Hochgeschwindigkeitsautomobile von großer Bedeutung und beeinflusst aufgrund der starken Erwärmung das Brennen des Nasenkegels6,7,8,9. Darüber hinaus führt die aerodynamische Erwärmung zu Geräuschen bei der Übertragung digitaler Signale. Diese Nachteile der aerodynamischen Erwärmung haben die Luft- und Raumfahrt- und Automobilingenieure dazu motiviert, diesen Prozess zu bewältigen10,11,12.

Es gibt verschiedene Techniken zum Schutz des Nasenkegels vor aerodynamischer Erwärmung. Die größte Herausforderung bei der Bewältigung der aerodynamischen Erwärmung ist die Widerstandskraft13,14,15. Tatsächlich sollte das Widerstandskraftniveau bei den empfohlenen Techniken beibehalten werden. In den vorherigen Arbeiten wurden drei Haupttechniken mechanischer, strömungstechnischer und energetischer Geräte untersucht und untersucht16,17,18,19. Bei diesen Techniken werden jeweils ein Dorn, ein Kühlmittelstrahl und eine Energiequelle verwendet, um ein Anhaften des freien Strahls am Hauptkörper zu vermeiden. Diese Techniken könnten die Temperatur des Hauptstroms nach der Aufnahme in den Hauptkörper effizient senken20,21,22. Die größte Herausforderung bei diesen Techniken ist jedoch die hohe Widerstandskraft, und dies ist das Ziel der Forscher, dieses Problem in diesem Bereich zu lösen23,24.

Unter diesen Methoden ist Spike die wichtigste herkömmliche Technik zur Reduzierung der hohen Wärmebelastung in der Nähe des Nasenkegels25,26,27,28. Spike ist als langer, dünner Stab bekannt, der sich an der Spitze des Nasenkegels befindet und die Hauptüberschallströmung vom Hauptnasenkegel ablenkt29,30. Die Verwendung von Spike als praktische Methode ist auf seine Einfachheit zurückzuführen31,32. Außerdem wird bei dieser Technik die Widerstandskraft verringert, da der Überschallluftstrom durch die Spitze gegabelt wird. Die Form der Spike-Spitze und die Länge des Spikes gelten als zwei wirksame Faktoren für die Leistung dieser Technik. Frühere Untersuchungen33,34,35,36,37 zeigten, dass die Kühlleistung dieser Technik als Widerstandskraft nicht akzeptabel ist, obwohl durch die Anwendung der Spitze eine begrenzte Reduzierung der thermischen Belastung berichtet wird. Daher konzentrierten sich die Untersuchungen auf neue Techniken, die diesen Mangel an mechanischer Technik ausgleichen könnten38,39,40. Theoretische Ansätze41,42,43,44,45,46,47, z. B. numerische Strömungsmechanik, sowie experimentelle Techniken ermöglichen es den Forschern, ihre Untersuchungen unter unzugänglichen Bedingungen zu verbessern48,49,50,51,52,53,54,55. Daher werden diese Techniken häufig in technischen Anwendungen eingesetzt55,56,57,58,59,60,61.

Hybridtechniken wurden kürzlich als neuer Ansatz zur Reduzierung des Luftwiderstands und der Hitze beim Flug mit Überschallgeschwindigkeit auf dem Nasenkegel untersucht62,63. Bei dieser Methodik wird Spike entweder mit Fluid- oder Energiemethoden kombiniert, um die Leistung der klassischen Technik mechanischer Methoden zu verbessern64,65,66,67. Obwohl dieser Ansatz sehr effizient erscheint, wird er noch nicht als praktische Methode angesehen. Tatsächlich erfolgt der Einsatz von Fluid- und Energiegeräten zur Reduzierung der thermischen Belastung im Labor und es wurden keine wirklichen praktischen Anwendungen dieser Methode gemeldet. Da es sich bei dieser Hybridmethode um eine neue Methode handelte, wurden in diesem Thema nur begrenzte Ressourcen und Artikel vorgestellt.

In dieser Forschung wird die Verwendung eines seitlichen Strahls zur Kühlung des Nasenkegels mit einer mehrreihigen Scheibe (MRD) bei Hochgeschwindigkeitsflügen vollständig untersucht (Abb. 1). Mit der rechnerischen Methode wird der Einfluss von Strahllage und -zustand auf die Kühlung des Nasenkegels untersucht. Die stark komprimierbare Strömung um den stumpfen MRD-Körper wird simuliert und eine umfassende Strömungsanalyse wird vorgestellt, um die effektiven Bedingungen für die thermische Belastungsbewältigung des Nasenkegels zu finden. Der Einfluss der Art des Kühlgases wird in dieser Untersuchung durch den Vergleich von Kohlendioxid und Heliumstrahl untersucht.

Ausgewähltes Modell mit vorgeschlagenem Einspritzsystem.

Diese Studie verwendete RANS-Gleichungen zur Modellierung der kompressiblen Strömung in der Nähe des Nasenkegels mit einem MRD-Gerät68. Das SST-Turbulenzmodell wird bei der Simulation einer hochturbulenten Strömung um den Nasenkegel angewendet69. Für die Strömung wird eine ideale Gas- und Speziestransportgleichung angenommen, da bei dieser Hybridtechnik die Sekundärgase Helium und CO2 für die Kühlung verwendet werden. Für die Simulation der Strömung um die Nase während der Freisetzung des Kühlgases wird rechnergestützte Fluiddynamik eingesetzt. Diese Technik wird häufig zur Simulation von Flüssigkeiten bei technischen Problemen eingesetzt70,71. Die Einzelheiten der wichtigsten maßgeblichen Gleichungen wurden in den vorherigen Artikeln ausführlich dargestellt und erläutert, und die Leser werden auf diese Ressourcen verwiesen72,73.

Die angewandte Randbedingung in Bezug auf das ausgewählte Modell ist in Abb. 2 dargestellt. Der Zufluss erfolgt im Fernfelddruck mit M = 5,0, Pinf-2550 und Tinf = 221 K. Als Kühlmittelstrahlen werden Helium und Kohlendioxid mit Schallbedingungen bei Ts = 300 ausgewählt K. Der Druckauslass wird aus den Ergebnissen der Innendomäne extrapoliert. Für den Dorn und den Hauptkörper wird eine Wand mit einer konstanten Temperatur von 300 K angenommen. Die Länge des Dorns entspricht dem Durchmesser des Hauptkörpers60.

Angewandte Randbedingung.

Gitterstudien als Hauptschritt für die numerische Strömungsmechanik werden durch die Erstellung verschiedener Gitter für unsere Modelle durchgeführt. Die Anzahl der Gitter in drei Richtungen wird geändert, um ein optimales Modell zu finden, bei dem die Ergebnisse unabhängig vom Gitter sind. Abbildung 3 zeigt das Schema des erzeugten Gitters für unser Modell. Es wird ein strukturiertes Gitter verwendet, da es im auf Finite-Volumen basierenden Ansatz eine höhere Genauigkeit aufweist. Tabelle 1 enthält Einzelheiten zu Rasterstudien. Für die Netzunabhängigkeitsanalyse werden im ersten Schritt vier Netzauflösungen generiert und simuliert. Für hergestellte Gitter wurde ein Vergleich der Wärmebelastung des Hauptkörpers durchgeführt (Tabelle 1), und es wurde festgestellt, dass es sich um ein feines Gitter mit 1.628.000 Zellen handelte.

Netzproduktion.

Der Vergleich experimenteller und numerischer Daten mit unseren Ergebnissen dient der Validierung. Dieser Schritt ist wichtig, da er die Richtigkeit der angewandten Methode für die Simulation des gewählten Falles bestätigt. Wie in Lit. 74 dargestellt, stimmt die Variation des normalisierten Drucks entlang der Nase einigermaßen mit anderen Methoden überein. Die Abweichung der archivierten Ergebnisse anderer Techniken beträgt beim einfachen Nasenkegel bei Überschallströmung nicht mehr als 8 %.

Stromlinie und Kühlmittelverteilung für drei seitliche Strahlen, die sich am Stiel des Dorns befinden, sind in Abb. 4 dargestellt. Die Ablenkung des Hauptstroms und der Diffusionsmechanismus des Helium- und CO2-Strahls in diesen Konfigurationen sind in diesen Modellen zu erkennen. Die Hauptauswirkungen dieser Strahlstandorte liegen in der Ablenkung des Hauptstroms, während das Zirkulationsregime in diesen Modellen nahezu identisch ist. Aufgrund der hohen Penetrationsrate von Helium lenkt dieses Gas den Bugstoß in größere Winkel ab.

Strömung und Konzentration der verschiedenen seitlichen Kühlmitteleinspritzsysteme.

Die Merkmale der Stoßwechselwirkungen für das seitliche Einspritzsystem sind in Abb. 5 dargestellt. Der Hauptunterschied hinsichtlich der Strahlposition auf der Spitze hängt mit der Wechselwirkung des Trennstoßes mit dem Zylinderstoß des Kühlmittelstrahls zusammen. Tatsächlich führt diese Wechselwirkung zu einer Durchbiegung des Bugstoßdämpfers und begrenzt die Wechselwirkung des Trennstoßdämpfers mit dem Hauptkörper. Wenn sich die Strahlposition zur Spitze der Spitze bewegt, wird der Winkel des Bugstoßes größer und die Trennschicht berührt den Hauptkörper nicht. Daher nimmt die Wärmeübertragung am Hauptkörper ab. Der Hauptunterschied dieser Kühlmittelstrahlen hängt mit der Form und Größe des Laufstoßdämpfers zusammen und ihre Auswirkungen auf den Bugstoßdämpfer sind nahezu identisch.

Einfluss der verschiedenen seitlichen Kühlmitteleinspritzsysteme auf Stoßwechselwirkungen.

Um die Stärke von Bug- und Laufstößen zu bewerten, zeigt Abb. 6 die Temperaturkontur in der Mittelebene für verschiedene seitliche Injektionssysteme. Wenn die seitliche Injektion in der Nähe des Hauptkörpers erfolgt, befindet sich der heiße Bereich in der Nähe der Scheibenspitze, wo die Wechselwirkung des Bugstoßes mit der Scheibe zum Bereich hoher Entropie führt. Wenn sich die Kühlmitteleinspritzung zur Spitze des Dorns bewegt, wird der Temperaturbereich zwischen Laufstoßdämpfer und Bugstoßdämpfer eingeschränkt, was die hohe Leistung des Bogenstoßdämpfers bestätigt. Es wurde auch festgestellt, dass die Stärke des Ablenkungsstoßes bei Heliumstrahlen geringer ist als bei CO2-Strahlen. Außerdem wird, während sich der Kühlmittelstrahl zum Hauptkörper bewegt, ein größerer Teil des Körpers dem Einfluss der kühlen Flüssigkeit ausgesetzt.

Temperaturverteilungen in der Nähe des Hauptkörpers für die verschiedenen seitlichen Kühlmitteleinspritzsysteme.

Abbildung 7 veranschaulicht die dreidimensionale Struktur der Kühlmittelschicht, um die Diffusion dieser beiden Gase in verschiedenen seitlichen Injektionssystemen darzustellen. Basierend auf der erreichten Kontur wird durch die Diffusion des Heliums in den Hauptbugstoß die Schwankung ausgeglichen und ein Abschnitt des Kühlmittels in den Hauptkörper des Nasenkegels umgeleitet. Dieser Effekt macht sich an der in Abb. 8 dargestellten Wärmeübertragungsrate bemerkbar. Die Wärmeübertragungsrate an der Scheibe und dem Hauptkörper zeigt den Diffusionsmechanismus des Kühlmittels und seine Auswirkungen auf die Wärmebelastung der Nase und der Scheibe an. Wie erwartet findet an der Spitze der Scheibe eine hohe Wärmeübertragungsrate statt, was auf die Stoßablenkung zurückzuführen ist. Auswirkungen der Kühlmittelposition werden auch auf die Wärmeübertragung des Hauptkörpers beobachtet.

3D-Merkmal der verschiedenen seitlichen Kühlmitteleinspritzsysteme.

Wärmeübertragungsrate am Hauptkörper und an der Scheibe der verschiedenen seitlichen Kühlmitteleinspritzsysteme.

Abbildung 9 zeigt die Auswirkung der verschiedenen seitlichen Kühlmitteleinspritzsysteme auf die Gesamtreduzierung der Wärmebelastung des Hauptkörpers und der Spike-Baugruppe. Die erhaltenen Daten deuten darauf hin, dass die Injektion eines CO2-Strahls zur Kühlung des Körpers und der Spike-Baugruppe effizienter ist als Helium. Tatsächlich ist dies auf die Schutzwirkung des CO2-Gases zurückzuführen, da es eine geringere Diffusionsfähigkeit als Helium aufweist.

Vergleich der Wärmelastreduzierung der verschiedenen seitlichen Kühlmitteleinspritzsysteme.

In dieser Studie wird versucht, die Bedeutung des seitlichen Strahls für das Wärmemanagement des Nasenkegels bei MRD-Flügen mit Hyperschallströmung zu untersuchen. Für die Untersuchung der Strömung und Wärmeübertragung in der Nähe der Nasenkegel- und Spitzenanordnung wird ein dreidimensionales Modell verwendet. Strömungsanalyse und Kühlgasverteilung werden für zwei Kühlgasarten Helium und Kohlendioxid verglichen. Der Einfluss des Kühlgases auf den Kompressionsstoß und den Bugstoß in der Nähe von Spike und Hauptkörper. Der Kühlmechanismus an verschiedenen Strahlstellen wird ebenfalls untersucht, um die optimale Konfiguration für die Reduzierung der thermischen Belastung des Nasenkegels zu erreichen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Entlüftung des Hauptstoßstoßes durch den Kühlmittelstrahl in der Nähe der Spitzenspitze große Auswirkungen auf die Reduzierung der aerodynamischen Erwärmung hat.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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KF und AA haben den Haupttext des Manuskripts geschrieben und MS und GC haben die Abbildungen vorbereitet. YS und QC bereiteten Überarbeitungen vor und HY überprüfte das Manuskript und korrigierte die englische Schreibweise. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Yunbin Shi oder K. Fallah.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Eingegangen: 23. Februar 2023

Angenommen: 18. April 2023

Veröffentlicht: 21. April 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-33739-2

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