Специалисты Центра инженерно-физических расчетов и анализа (АО "ЦИФРА") совместно с сотрудниками БГТУ «Военмех» им. Д.Ф. Устинова завершили работы по моделированию и расчету взаимодествия горячих струй двигателей летательных аппаратов на охлаждаемую преграду с помощью программного пакета ANSYS Fluent.

В настоящее время в мировой практике реализованы и в разной степени успешно применяются несколько способов взлета летательных аппаратов с авианесущего корабля: вертолетный взлет; взлет при помощи катапульты; взлет при помощи трамплина. Высокие параметры тяговооруженности отечественных корабельных истребителей позволяют использовать для их взлета с авианосца трамплин, который представляет собой плавную горку в носовой части корабля. Она обеспечивает самолету при сходе с палубы вертикальную составляющую скорости, что дает возможность сократить дистанцию разбега.

При взлете с носового трамплина летчик испытывает небольшие продольные перегрузки и полностью контролирует ситуацию. С другой стороны, старт с трамплина, происходящий при относительно невысоких скоростях поступательного движения, диктует строгие требования к тяговооруженности летательного аппарата, характеристикам его устойчивости и управляемости. Двигатели выводятся на взлетный режим еще до начала разбега. Чтобы предотвратить возможное повреждение оборудования авианосца и стоящих позади летательных аппаратов горячими газами работающих на максимальных режимах двигателей самолетов, в составе авиационно-технических средств корабля предусмотрены подъемные охлаждаемые преграды - газоотражательные щиты, которые устанавливаются на пути распространения горячих газовых струй. Высокие значения тепловых потоков, воспринимаемые преградой, могут привести к ее прогару, вследствие чего в конструкции газоотражательных щитов используют системы жидкостного охлаждения.

При проектировании газоотражательных щитов актуальными для моделирования и расчета являются следующие задачи:

• определение газодинамической и тепловой обстановки в зоне взаимодействия высокотемпературных струй двигателей с преградой для выявления области, безопасной для работы персонала и техники;
• моделирование сопряженного теплообмена, представляющего интерес для разработки или оптимизации конструкции системы охлаждения газоотражательных щитов.

В работе решена задача газодинамики и сопряженного теплообмена при взаимодействии высокотемпературных струй с газоотражающей преградой. Решение получено средствами численного моделирования в пакете Ansys Fluent на основе осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье–Стокса, для замыкания которых применяются различные дифференциальные модели турбулентности.

На первом этапе исследований проведена верификация моделей турбулентности на основе решения тестовых задач и сопоставления результатов с экспериментом. Рассмотренные модели турбулентности показали существенное завышение (до 20%) температуры на оси струи по сравнению с экспериментом. Согласование данных расчета и эксперимента достигнуто за счет корректировки констант в модели турбулентности.

Трехмерные нестационарные расчеты проведены на блочно-структурированных сетках, число ячеек изменялось от 1 до 3 млн. в зависимости от параметров задачи. Для исследования теплового нагружения струй на элементы газоотражателей выполнено решение сопряженной газодинамической и тепловой задачи о конвективном и лучистом теплообмене горячих струй с поверхностью преграды.

Промоделирована работа системы жидкостного охлаждения газоотражателей. Проведены параметрические исследования влияния угла наклона газоотражательной преграды на формирование границ зоны высоких значений скорости и температуры.