Характеристики взаимодействия встречных недорасширенных струй из микросопел

В работе представлены результаты параметрических исследований особенностей столкновения сверхзвуковых недорасширенных струй аргона, вытекающих из соосных микросопел, расположенных навстречу друг другу. Для численного моделирования газодинамики сверхзвуковых струй использовалась математическая модель вязкого сжимаемого газа, основанная на классических уравнениях Навье-Стокса, дополненных уравнениями состояния совершенного газа. Задача решалась в двумерной осесимметричной постановке в рамках гипотезы симметричного взаимодействия потоков. Задача решалась методом контрольных объёмов. Для дискретизации конвективных членов использовался метод Годунова, а для дискретизации диссипативных членов использовалась линейная интерполяция значений на границах контрольных ячеек. Интегрирование по времени выполнялось методом Рунге-Кутты третьего порядка. Параметрический анализ был направлен на оценку влияния расстояния между соплами на размеры области взаимодействия струй, а также уровня плотности в этой зоне. Полученные распределения основных газодинамических величин позволили описать структуру течения и оценить форму и размеры локальных зон течения, а также уровень плотности в области контакта двух сверхзвуковых микроструй. Анализ показал, что более плотную зону можно получить сближением сопел, однако в этом случае происходит уменьшение продольного размера этой зоны, что необходимо учитывать при планировании экспериментальных исследований.

1. Markelov G.N. Numerical study of 2D/3D micronozzle flows. AIP Conference Proceedings, 2001, vol.585, pp. 539-546. DOI: 10.1063/1.1407607.

2. Phalnikar K.A., Kumar R., Alvi F.S. Experiments on free and impinging supersonic microjets. Exp. Fluids 44, 2008, pp. 819-830. DOI:10.1007/s00348-007-0438-4.

3. Takahashi Y., Okajima J., Iga Y., Komiya A., Maruyama S. Preliminary experiment of supersonic micro-channel gas flow visualization by using interferometer. Journal of Fluid Science and Technology 9(5): JFST0069-JFST0069, 2014, pp. 28-32. DOI:10.1299/jfst.2014jfst0069.

4. Mai C-C., Lin J. Flow structures around an inclined substrate subjected to a supersonic impinging jet in laser cutting. Opt Laser Technol, 2002, vol. 34, pp. 479–486. DOI:10.1016/S0030-3992(02)00046-4

5. Быков Н.Ю., Фёдоров С.А. Формирование субнаноразмерных кластеров в разреженной струе смеси инертного газа и паров металла. Физико-химическая кинетика в газовой динамике, 2023, Т. 24. № 1, С. 82-94 / Bykov N.Y., Fedorov S.A. Formation of subnanosized clusters in a rarefied jet of a mixture of inert gas and metal vapors. Physico-chemical kinetics in gas dynamics, 2023, vol. 24, no. 1, pp. 82-94 (in Russian).

6. Гусева В.Е., Корепанов М.А., Королева М.Р., Нечай А.Н., Перекалов А.А., Салащенко Н.Н., Чхало Н.И. Способы формирования газовых, кластерных спрейных и жидкостных мишеней в лазерно-плазменном источнике излучения. Приборы и техника эксперимента, 2023, № 4, С. 145-155. DOI: 10.31857/S0032816223030217 / Guseva V.E., Korepanov M.A., Koroleva M.R., Nechai A.N., Perekalov A.A., Salashchenko N.N., Ckhalo N.I. Methods of formation of gas, cluster spray and liquid targets in a laser-plasma radiation source. Instruments and experimental techniques, 2023, no. 4, pp. 145-155 (in Russian). DOI: 10.31857/S0032816223030217.

7. Nechay, A. N., Perekalov, A. A., Chkhalo, N. I., Salashchenko, N. N., Korepanov, M. A., Koroleva, M. R. Emission properties of targets based on shock waves excited by pulsed laser radiation. Optics and Laser Technology, 2021, vol. 142, pp. 1-5. DOI:10.1016/j.optlastec.2021.107250.

8. Korepanov M.A., Koroleva M.R., Mitrukova E.A., Nechay A.N. Mathematical modeling of the gas-jet target for extreme ultraviolet laser. Russian Journal of Nonlinear Dynamics, 2024, vol. 20, no. 3. pp. 413-424. DOI:10.1134/S1063785017110177.

9. Митрюкова Е.А. Параметрические исследования течений в микросоплах. Труды ИСП РАН, Т. 35, № 2, 2023, С. 225-234. DOI:10.15514/ISPRAS-2023-35(2)-16 / Mitryukova E.A. Parametric investigations of flows in micronozzles. Trudy ISP RAS, 2023, vol. 35 no. 2, pp. 225-234. (in Russian). DOI:10.15514/ISPRAS-2023-35(2)-16.

10. Reid, R. C., Prausnitz, J. M., Sherwood, T. K. The properties of gases and liquids, 1977, 710 p. DOI: 10.1036/0070116822.

11. Королева М.Р., Корепанов М.А., Митрюкова Е.А. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ. Номер свидетельства RU: 2024618291. Программа численного моделирования течений газа с конденсацией в микросоплах. Дата регистрации: 25.03.2024. Дата публикации: 10.04.2024. / Koroleva M.R., Korepanov M.A., Mitryukova E.A. Certificate of state registration of a computer program. Certificate number RU: 2024618291. Numerical simulation program for gas flows with condensation in micronozzles. Registration date: 25/03/2024. Date of publication: 10/04/2024.

12. Митрюкова Е.А., Королева М.Р., Корепанов М.А. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ. Номер свидетельства RU: 2023680879. Программа расчета истечения газа в вакуумную камеру через микросопло. Дата регистрации: 28.09.2023. Дата публикации: 06.10.2023. / Mitryukova E.A. Koroleva M.R., Korepanov M.A. Certificate of state registration of a computer program. Certificate number RU: 2023680879. Program for calculating gas flow into a vacuum chamber through a micronozzle. Registration date: 28/09/2023. Date of publication: 06/10/2023.

13. Липанов А.М., Дадикина С.Ю., Шумихин А.А., Королева М.Р., Карпов А.И. Численное моделирование внутрикамерных нестационарных турбулентных течений. Часть 1. Вестник Южно-Уральского государственного университета. Математическое моделирование и программирование, 2019, Т. 12, № 1, С. 32-43. DOI 10.14529/mmp190103 / Lipanov A.M., Dadikina S.Yu., Shumikhin A.A., Koroleva M.R., Karpov A.I. Numerical modeling of intra-chamber unsteady turbulent flows. Part 1. Bulletin of the South Ural State University. Mathematical modeling and programming, 2019, vol. 12, no. 1, pp. 32-43 (in Russian). DOI 10.14529/mmp190103.

14. Шумихин А.А. Численное моделирование течения вязкого сжимаемого газа в РДТТ с центральным телом. Химическая физика и мезоскопия, 2020, Т. 22, № 2, С. 184-196. / Shumikhin A.A. Numerical modeling of viscous compressible gas flow in a solid rocket motor with a central body. Chemical physics and mesoscopy, 2020, vol. 22, no. 2, pp. 184-196 (in Russian). DOI: 10.15350/17270529.2020.2.18.

15. Годунов С.К., Забродин А.В., Иванов М.Я., Крайко А.Н., Прокопов Г.П. Численное решение многомерных задач газовой динамики. М.: Наука, 1976. - 400 с / Godunov, S.K., Zabrodin, A.V., Ivanov, M.Ya., Krayko, A.N., Prokopov, G.P. Numerical solution of multidimensional problems of gas dynamics, Moskva, Nauka, 1976, 400 p. (in Russian).

16. Bocharova, O.V., Lebedev, M.G. Modeling the time-dependent interaction between a sonic jet and a barrier. Mathematical Models and Computer Simulations, 2007, vol. 19, no. 8, pp. 31-36. DOI:10.17223/19988621/63/8.

17. Pinchukov, V. I. Modeling of dynamics of unsteady flows near blunt bodies for large time intervals, Computational technologies, 2013, vol. 18, no. 1, pp. 74-86.

18. https://github.com/PhChMechLab/GodNozzleVac, accessed 25.12.2024.