ЧИСЕЛЬНІ ТА ЕКПСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ НАДЗВУКОВОГО ПОТОКУ В СОПЛІ ПРИ ОБТІКАННІ ЦИЛІНДРИЧНОЇ ПЕРЕШКОДИ НА СТІНЦІ З ІНЖЕКЦІЄЮ ГАЗУ
DOI: https://doi.org/10.15407/itm2025.01.003 Thrust vector control is a crucial aspect of rocket engine design. In particular, of certain interest are gas-dynamic control systems, where control forces are produced by inserting solid obstacles – interceptors – into a supersonic flow. Inserting an int...
Gespeichert in:
| Datum: | 2025 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainian |
| Veröffentlicht: |
текст 3
2025
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://journal-itm.dp.ua/ojs/index.php/ITM_j1/article/view/90 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Technical Mechanics |
Institution
Technical Mechanics| id |
oai:ojs2.journal-itm.dp.ua:article-90 |
|---|---|
| record_format |
ojs |
| institution |
Technical Mechanics |
| baseUrl_str |
|
| datestamp_date |
2025-11-04T12:05:52Z |
| collection |
OJS |
| language |
Ukrainian |
| topic |
вектор тяги газодинамічне регулювання інтерцептор чисельне моделювання. |
| spellingShingle |
вектор тяги газодинамічне регулювання інтерцептор чисельне моделювання. STRELNYKOV, H. O. IHNATIEV, O. D. SHEVELOVA, H. M. ЧИСЕЛЬНІ ТА ЕКПСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ НАДЗВУКОВОГО ПОТОКУ В СОПЛІ ПРИ ОБТІКАННІ ЦИЛІНДРИЧНОЇ ПЕРЕШКОДИ НА СТІНЦІ З ІНЖЕКЦІЄЮ ГАЗУ |
| topic_facet |
thrust vector gas-dynamic control interceptor numerical modeling вектор тяги газодинамічне регулювання інтерцептор чисельне моделювання. |
| format |
Article |
| author |
STRELNYKOV, H. O. IHNATIEV, O. D. SHEVELOVA, H. M. |
| author_facet |
STRELNYKOV, H. O. IHNATIEV, O. D. SHEVELOVA, H. M. |
| author_sort |
STRELNYKOV, H. O. |
| title |
ЧИСЕЛЬНІ ТА ЕКПСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ НАДЗВУКОВОГО ПОТОКУ В СОПЛІ ПРИ ОБТІКАННІ ЦИЛІНДРИЧНОЇ ПЕРЕШКОДИ НА СТІНЦІ З ІНЖЕКЦІЄЮ ГАЗУ |
| title_short |
ЧИСЕЛЬНІ ТА ЕКПСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ НАДЗВУКОВОГО ПОТОКУ В СОПЛІ ПРИ ОБТІКАННІ ЦИЛІНДРИЧНОЇ ПЕРЕШКОДИ НА СТІНЦІ З ІНЖЕКЦІЄЮ ГАЗУ |
| title_full |
ЧИСЕЛЬНІ ТА ЕКПСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ НАДЗВУКОВОГО ПОТОКУ В СОПЛІ ПРИ ОБТІКАННІ ЦИЛІНДРИЧНОЇ ПЕРЕШКОДИ НА СТІНЦІ З ІНЖЕКЦІЄЮ ГАЗУ |
| title_fullStr |
ЧИСЕЛЬНІ ТА ЕКПСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ НАДЗВУКОВОГО ПОТОКУ В СОПЛІ ПРИ ОБТІКАННІ ЦИЛІНДРИЧНОЇ ПЕРЕШКОДИ НА СТІНЦІ З ІНЖЕКЦІЄЮ ГАЗУ |
| title_full_unstemmed |
ЧИСЕЛЬНІ ТА ЕКПСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ НАДЗВУКОВОГО ПОТОКУ В СОПЛІ ПРИ ОБТІКАННІ ЦИЛІНДРИЧНОЇ ПЕРЕШКОДИ НА СТІНЦІ З ІНЖЕКЦІЄЮ ГАЗУ |
| title_sort |
чисельні та екпспериментальні дослідження надзвукового потоку в соплі при обтіканні циліндричної перешкоди на стінці з інжекцією газу |
| title_alt |
NUMERICAL AND EXPERIMENTAL STUDIES OF SUPERSONIC NOZZLE FLOW OVER A CYLINDRICAL OBSTACLE ON A WALL WITH GAS INJECTION |
| description |
DOI: https://doi.org/10.15407/itm2025.01.003
Thrust vector control is a crucial aspect of rocket engine design. In particular, of certain interest are gas-dynamic control systems, where control forces are produced by inserting solid obstacles – interceptors – into a supersonic flow. Inserting an interceptor into the supersonic area of a nozzle enables flight trajectory control, especially in the case of stabilization and low control forces. The aim of this work is to investigate gas-dynamic methods of thrust vector control in rocket engines using interceptor systems and to assess their efficiency through experimental and numerical simulation techniques. The importance of this study lies in the need to enhance the accuracy and efficiency of rocket flight control, which is of critical importance for modern space and defense technologies. The use of interceptor systems in thrust vector control improves the maneuverability and stability of rockets, particularly during stabilization phases and when low control forces are required. However, a complex flow structure in the supersonic flow – interceptor interaction zone, including shock waves, separation zones, and vortex structures, complicates an accurate prediction of control characteristics. Traditional experimental studies of such processes require significant resources and often fail to provide a comprehensive understanding of the physical phenomena. Therefore, numerical simulation of turbulent supersonic flows based on the Navier-Stokes equations has become an important analytical tool. However, its effectiveness depends on verification adequacy. In this context, research that combines experimental methods and numerical simulation represents a significant step toward developing more reliable and efficient thrust vector control systems. Experimental studies of transversal supersonic flow over cylindrical obstacles with gas injection into the flow were conducted using the testing facilities of the Institute of Technical Mechanics of the National Academy of Sciences of Ukraine and the State Space Agency of Ukraine. The experimental model was a flat semi-nozzle with transparent sidewalls to observe and photograph the nozzle flow. The static pressure was measured in the flow–interceptor interaction zone. A numerical simulation was performed using the Ansys Fluent software package with various turbulence models to evaluate viscous supersonic flows. The numerical simulation gave flow patterns and the static pressure distribution in the flow–interceptor interaction zone. The calculated results were compared with the experimental ones. It was shown that the numerical simulation satisfactorily reproduces the key experimental features, including shock waves, separation zones, and local reverse flows. This study broadens the understanding of supersonic flow – interceptor interaction mechanisms, in particular when using secondary gas injection or a coolant fluid. For the first time, experimental and numerical data for systems of this type were compared in detail, thus offering a more accurate evaluation of the effect of geometrical and physical parameters on the flow characteristics. The results may immediately be used in improving existing thrust vector control systems and developing new ones. This will contribute to rocket navigation accuracy and flight stability improvement and effective maneuvering, which is of critical importance to the accomplishment of complex space and defense tasks.
REFERENCES
1. Luo D. Numerical simulation of supersonic turbulent separated flows based on k-ω turbulence models with different compressibility corrections. Aerospace. 2023. V. 10. No. 14. 1014.https://doi.org/10.3390/aerospace10121014
2. Aghaei-Jouybari M., Yuan J., Li Z., Brereton G. J., Jaberi F. A. Supersonic turbulent flows over sinusoidal rough walls. Journal of Fluid Mechanics. 2023. V. 956. Pp. 1-27.https://doi.org/10.1017/jfm.2022.1049
3. Gang D., Yi S., Niu H. Experimental investigation of supersonic turbulent flow over cylinders with various heights. Journal of Visualization. 2021. V. 24. Pp. 461-470.https://doi.org/10.1007/s12650-020-00723-1
4. Nastac G., Frendi A. An investigation of scale-resolving turbulence models for supersonic retropropulsion flows. Fluids. 2022. V. 7. No. 12. 362.https://doi.org/10.3390/fluids7120362
5. Strelnikov G., Ihnatiev O., Pryadko N., Ternova K. Efficiency of rocket engine thrust vector control by solid obstacle on the nozzle wall. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering. 2022. V. 236. Iss. 16. Pp. 3344-3353.https://doi.org/10.1177/09544100221083714
6. Launder B. E., Spalding D. B. Lectures in Mathematical Models of Turbulence. London, New York: Academic Press, 1972. 169 p.
7. Wilcox D. C. Turbulence Modeling for CFD. La Canada, California: DCW Industries, Inc., 1998. 460 p.
8. Wilcox D. C. Formulation of the k-ω turbulence model revisited. AIAA Journal. 2008. V. 46. No. 11. Pp. 2823-2838.https://doi.org/10.2514/1.36541
9. Menter F. R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications. AIAA Journal. 1994. V. 32. No. 8. Pp. 1598-1605.https://doi.org/10.2514/3.12149
10. Menter F. R., Langtry R. B., Likki S. R., Suzen Y. B., Huang P. G., Völker S. A correlation-based transition model using local variables-part I: model formulation. Journal of Turbomachinery. 2006. V. 128, No. 3. Pp. 413-422.https://doi.org/10.1115/1.2184352
|
| publisher |
текст 3 |
| publishDate |
2025 |
| url |
https://journal-itm.dp.ua/ojs/index.php/ITM_j1/article/view/90 |
| work_keys_str_mv |
AT strelnykovho numericalandexperimentalstudiesofsupersonicnozzleflowoveracylindricalobstacleonawallwithgasinjection AT ihnatievod numericalandexperimentalstudiesofsupersonicnozzleflowoveracylindricalobstacleonawallwithgasinjection AT shevelovahm numericalandexperimentalstudiesofsupersonicnozzleflowoveracylindricalobstacleonawallwithgasinjection AT strelnykovho čiselʹnítaekpsperimentalʹnídoslídžennânadzvukovogopotokuvsoplípriobtíkannícilíndričnoípereškodinastíncízínžekcíêûgazu AT ihnatievod čiselʹnítaekpsperimentalʹnídoslídžennânadzvukovogopotokuvsoplípriobtíkannícilíndričnoípereškodinastíncízínžekcíêûgazu AT shevelovahm čiselʹnítaekpsperimentalʹnídoslídžennânadzvukovogopotokuvsoplípriobtíkannícilíndričnoípereškodinastíncízínžekcíêûgazu |
| first_indexed |
2025-09-24T17:27:28Z |
| last_indexed |
2025-11-05T02:41:41Z |
| _version_ |
1850410613703966720 |
| spelling |
oai:ojs2.journal-itm.dp.ua:article-902025-11-04T12:05:52Z NUMERICAL AND EXPERIMENTAL STUDIES OF SUPERSONIC NOZZLE FLOW OVER A CYLINDRICAL OBSTACLE ON A WALL WITH GAS INJECTION ЧИСЕЛЬНІ ТА ЕКПСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ НАДЗВУКОВОГО ПОТОКУ В СОПЛІ ПРИ ОБТІКАННІ ЦИЛІНДРИЧНОЇ ПЕРЕШКОДИ НА СТІНЦІ З ІНЖЕКЦІЄЮ ГАЗУ STRELNYKOV, H. O. IHNATIEV, O. D. SHEVELOVA, H. M. thrust vector, gas-dynamic control, interceptor, numerical modeling вектор тяги, газодинамічне регулювання, інтерцептор, чисельне моделювання. DOI: https://doi.org/10.15407/itm2025.01.003 Thrust vector control is a crucial aspect of rocket engine design. In particular, of certain interest are gas-dynamic control systems, where control forces are produced by inserting solid obstacles – interceptors – into a supersonic flow. Inserting an interceptor into the supersonic area of a nozzle enables flight trajectory control, especially in the case of stabilization and low control forces. The aim of this work is to investigate gas-dynamic methods of thrust vector control in rocket engines using interceptor systems and to assess their efficiency through experimental and numerical simulation techniques. The importance of this study lies in the need to enhance the accuracy and efficiency of rocket flight control, which is of critical importance for modern space and defense technologies. The use of interceptor systems in thrust vector control improves the maneuverability and stability of rockets, particularly during stabilization phases and when low control forces are required. However, a complex flow structure in the supersonic flow – interceptor interaction zone, including shock waves, separation zones, and vortex structures, complicates an accurate prediction of control characteristics. Traditional experimental studies of such processes require significant resources and often fail to provide a comprehensive understanding of the physical phenomena. Therefore, numerical simulation of turbulent supersonic flows based on the Navier-Stokes equations has become an important analytical tool. However, its effectiveness depends on verification adequacy. In this context, research that combines experimental methods and numerical simulation represents a significant step toward developing more reliable and efficient thrust vector control systems. Experimental studies of transversal supersonic flow over cylindrical obstacles with gas injection into the flow were conducted using the testing facilities of the Institute of Technical Mechanics of the National Academy of Sciences of Ukraine and the State Space Agency of Ukraine. The experimental model was a flat semi-nozzle with transparent sidewalls to observe and photograph the nozzle flow. The static pressure was measured in the flow–interceptor interaction zone. A numerical simulation was performed using the Ansys Fluent software package with various turbulence models to evaluate viscous supersonic flows. The numerical simulation gave flow patterns and the static pressure distribution in the flow–interceptor interaction zone. The calculated results were compared with the experimental ones. It was shown that the numerical simulation satisfactorily reproduces the key experimental features, including shock waves, separation zones, and local reverse flows. This study broadens the understanding of supersonic flow – interceptor interaction mechanisms, in particular when using secondary gas injection or a coolant fluid. For the first time, experimental and numerical data for systems of this type were compared in detail, thus offering a more accurate evaluation of the effect of geometrical and physical parameters on the flow characteristics. The results may immediately be used in improving existing thrust vector control systems and developing new ones. This will contribute to rocket navigation accuracy and flight stability improvement and effective maneuvering, which is of critical importance to the accomplishment of complex space and defense tasks. REFERENCES 1. Luo D. Numerical simulation of supersonic turbulent separated flows based on k-ω turbulence models with different compressibility corrections. Aerospace. 2023. V. 10. No. 14. 1014.https://doi.org/10.3390/aerospace10121014 2. Aghaei-Jouybari M., Yuan J., Li Z., Brereton G. J., Jaberi F. A. Supersonic turbulent flows over sinusoidal rough walls. Journal of Fluid Mechanics. 2023. V. 956. Pp. 1-27.https://doi.org/10.1017/jfm.2022.1049 3. Gang D., Yi S., Niu H. Experimental investigation of supersonic turbulent flow over cylinders with various heights. Journal of Visualization. 2021. V. 24. Pp. 461-470.https://doi.org/10.1007/s12650-020-00723-1 4. Nastac G., Frendi A. An investigation of scale-resolving turbulence models for supersonic retropropulsion flows. Fluids. 2022. V. 7. No. 12. 362.https://doi.org/10.3390/fluids7120362 5. Strelnikov G., Ihnatiev O., Pryadko N., Ternova K. Efficiency of rocket engine thrust vector control by solid obstacle on the nozzle wall. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering. 2022. V. 236. Iss. 16. Pp. 3344-3353.https://doi.org/10.1177/09544100221083714 6. Launder B. E., Spalding D. B. Lectures in Mathematical Models of Turbulence. London, New York: Academic Press, 1972. 169 p. 7. Wilcox D. C. Turbulence Modeling for CFD. La Canada, California: DCW Industries, Inc., 1998. 460 p. 8. Wilcox D. C. Formulation of the k-ω turbulence model revisited. AIAA Journal. 2008. V. 46. No. 11. Pp. 2823-2838.https://doi.org/10.2514/1.36541 9. Menter F. R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications. AIAA Journal. 1994. V. 32. No. 8. Pp. 1598-1605.https://doi.org/10.2514/3.12149 10. Menter F. R., Langtry R. B., Likki S. R., Suzen Y. B., Huang P. G., Völker S. A correlation-based transition model using local variables-part I: model formulation. Journal of Turbomachinery. 2006. V. 128, No. 3. Pp. 413-422.https://doi.org/10.1115/1.2184352 DOI: https://doi.org/10.15407/itm2025.01.003 Регулювання вектора тяги є важливим складником створення ракетних двигунів. Зокрема, певний інтерес становлять газодинамічні системи регулювання, в яких керуючі зусилля польотом ракети забезпечуються шляхом введення у надзвуковий потік твердих перешкод – інтерцепторів. Введення інтерцептора в надзвукову частину сопла дозволяє забезпечити управління траєкторією польоту, особливо в режимі стабілізації та малих керуючих зусиль. Ціль даної роботи – дослідження газодинамічних методів управління вектором тяги ракетних двигунів із використанням інтерцепторних систем та оцінка їх ефективності на основі експериментальних і чисельних методів моделювання. Актуальність роботи полягає в необхідності підвищення точності та ефективності управління польотом ракет, що є критично важливим для сучасних космічних та оборонних технологій. Використання інтерцепторних систем для регулювання вектора тяги дозволяє покращити маневреність і стабільність ракет, особливо на етапах стабілізації та малих керуючих зусиль. Однак складна структура надзвукового потоку в зоні взаємодії з інтерцептором, включаючи утворення стрибків ущільнення, зон відриву та вихроутворення, ускладнює точний прогноз характеристик управління. Традиційні експериментальні дослідження таких процесів вимагають значних ресурсів і часто не дають повного уявлення про фізичні явища. Тому чисельне моделювання турбулентних надзвукових потоків, засноване на рівняннях Нав'є-Стокса, стає важливим інструментом аналізу. Однак його ефективність залежить від коректної верифікації результатів. У цьому контексті дослідження, що поєднує експериментальні методи та чисельне моделювання, є важливим кроком до розробки більш надійних та ефективних систем управління вектором тяги. Експериментальні дослідження поперечного обтікання надзвуковим потоком повітря циліндричних перешкод з інжекцією газу в потік, що набігає, проведені на випробувальній базі Інституту технічної механіки Національної академії наук України і Державного космічного агентства України. Експериментальна модель являла собою плоске напівсопло з прозорими бічними стінками для спостереження та фотографування течій у соплі. Вимірювався статичний тиск у зоні взаємодії потоку з інтерцептором. Чисельне моделювання проводилося у програмному комплексі Ansys Fluent з використанням різних моделей турбулентності для оцінки в'язких надзвукових потоків. На основі чисельного моделювання отримано картини течії, а також розподіл статичного тиску в області взаємодії потоку з інтерцептором. Проведено порівняльний аналіз отриманих результатів з даними експериментальних випробувань. Виявлено, що чисельне моделювання задовільно відтворює ключові особливості експериментальних результатів, включаючи утворення стрибків ущільнення, зон відриву та локальних зворотних течій. Робота розширює уявлення про механізми взаємодії інтерцептора з надзвуковим потоком, зокрема в умовах використання вторинної інжекції газу або охолоджувальної рідини. Вперше проведено детальне порівняння експериментальних і чисельних даних для таких систем, що дозволяє більш точно оцінювати вплив геометричних та фізичних параметрів на характеристики потоку. Результати можуть бути безпосередньо використані для вдосконалення існуючих і розробки нових систем управління вектором тяги. Це сприятиме підвищенню точності навігації ракет, покращенню стабільності польоту та ефективному виконанню маневрів, що є критично важливим для реалізації складних космічних та оборонних завдань. ПОСИЛАННЯ 1. Luo D. Numerical simulation of supersonic turbulent separated flows based on k-ω turbulence models with different compressibility corrections. Aerospace. 2023. V. 10. No. 14. 1014.https://doi.org/10.3390/aerospace10121014 2. Aghaei-Jouybari M., Yuan J., Li Z., Brereton G. J., Jaberi F. A. Supersonic turbulent flows over sinusoidal rough walls. Journal of Fluid Mechanics. 2023. Vol. 956. Pp. 1–27. https://doi.org/10.1017/jfm.2022.1049 3. Gang, D., Yi, S. & Niu, H. Experimental investigation of supersonic turbulent flow over cylinders with various heights. Journal of Visualization. 2021. Vol. 24. Pp. 461–470. https://doi.org/10.1007/s12650-020-00723-1 4. Nastac G., Frendi A. An Investigation of Scale-Resolving Turbulence Models for Supersonic Retropropulsion Flows. Fluids. 2022. Vol. 7(12), 362. Pp. 1–15. https://doi.org/10.3390/fluids7120362 5. Strelnikov G., Ihnatiev O., Pryadko N., Ternova K. Efficiency of rocket engine thrust vector control by solid obstacle on the nozzle wall. 2022. Vol. 236, Issue 16. Pp. 3344–3353. https://doi.org/10.1177/09544100221083714 6. Launder B. E,. Spalding D. B. Lectures in mathematical models of turbulence. London, New York. Academic Press. 1972. 169 p. 7. Wilcox D. C. Turbulence Modeling for CFD. DCW Industries, Inc. La Canada, California. 1998. 460 p. 8. Wilcox D. C. Formulation of thek-ωTurbulence Model Revisited. AIAA Journal. 2008. Vol. 46.11. Pp. 2823–2838. https://doi.org/10.2514/1.36541 9. Menter F. R. Two-Equation Eddy-Viscosity Turbulence Models for Engineering Applications. AIAA Journal. 1994. Vol. 32 (8). Pp. 1598–1605. https://doi.org/10.2514/3.12149 10. Menter F. R., Langtry R. B., Likki S. R., Suzen Y. B., Huang P. G., Völker S. A correlation-based transition model using local variables-part I: model formulation. Journal of turbomachinery. 2006. Vol. 128(3). Pp. 413–422. https://doi.org/10.1115/1.2184352 текст 3 2025-04-07 Article Article application/pdf https://journal-itm.dp.ua/ojs/index.php/ITM_j1/article/view/90 Technical Mechanics; No. 1 (2025): Technical Mechanics; 3-16 Институт технической механики Национальной академии наук Украины и Государственного космического агентства Украины; № 1 (2025): Technical Mechanics; 3-16 ТЕХНІЧНА МЕХАНІКА; № 1 (2025): ТЕХНІЧНА МЕХАНІКА; 3-16 uk https://journal-itm.dp.ua/ojs/index.php/ITM_j1/article/view/90/35 |