Specific features of high-speed flight aerodynamics: computer simulation of hypersonic flow around the head of an object

Authors

  • G.A. Tarnavsky
  • A.V. Aliev

Keywords:

aerodynamics
hypersonic flow
carbuncle effect
computer simulation

Abstract

A one of the specific features of hypersonic flow around the blunted head of an object discovered by the computer simulation of aerodynamics of high-speed flight and called the «carbuncle effect» is studied. The following question is analyzed and discussed: is the carbuncle a specific numerical effect related to the discretization of a continuous problem or is the carbuncle a physical reality that manifests itself during high-speed motion in the Earth’s atmosphere at large altitudes. Keywords: aerodynamics, hypersonic flow, carbuncle effect, computer simulation

New computational technologies

Downloads

Published

2008-10-20

Issue

Vol. 9 (2008): Issue 4.

Section

Section 1. Numerical methods and applications

Author Biographies

G.A. Tarnavsky

The Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics of SB RAS (ICM&MG SB RAS)

A.V. Aliev

The Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics of SB RAS (ICM&MG SB RAS)

References

  1. Хейз У.Д., Пробстин Р.Ф. Теория гиперзвуковых течений. М.: Иностранная литература. 1962.
  2. Кларк Дж., Макчесни М. Динамика реальных газов. М.: Мир, 1967.
  3. Ковеня В.М., Тарнавский Г.А., Черный С.Г. Применение метода расщепления в задачах аэродинамики. Новосибирск: Наука, 1990.
  4. Тарнавский Г.А. Ударные волны в газах с различными показателями адиабаты до и после фронта скачка // Вычислительные методы и программирование. 2002. 3, № 2. 129-143.
  5. Тарнавский Г.А. Ударно-волновые структуры в реальных газах: переход между различными типами взаимодействия скачков в области неединственности решения // Вычислительные методы и программирование. 2004. 5, № 2. 219-228.
  6. Тарнавский Г.А., Шпак С.И. Эффективный показатель адиабаты в задачах гиперзвукового обтекания тел реальным газом // Теплофизика и аэромеханика. 2001. 8, № 1. 41-58.
  7. Волков В.Ф., Тарнавский Г.А. Нарушение симметрии и гистерезис стационарных и квазистационарных решений уравнений Эйлера и Навье -Стокса // Журн. вычисл. матем. и матем. физики. 2001. 41. № 11. 1742-1750.
  8. Тарнавский Г.А., Шпак С.И. Некоторые аспекты компьютерного моделирования гиперзвуковых течений: устойчивость, неединственность и бифуркации численных решений уравнений Навье -Стокса // Инженерно-физический журн. 2001. 74, № 3. 125-132.
  9. Тарнавский Г.А., Хакимзянов Г.С., Тарнавский А.Г. Моделирование гиперзвуковых течений: влияние стартовых условий на финальное решение в окрестности точек бифуркации // Инженерно-физический журн. 2003. 76, № 5. 54-60.
  10. Тарнавский Г.А. Тепловые и силовые нагрузки на поверхности аппарата при высокоскоростном движении в атмосфере Земли // Инженерно-физический журн. 2008. 81, № 2. 136-144.
  11. Pandolfi M., D’Ambrosio D. Numerical instabilities in upwind methods: analysis and cures for the «carbuncle» phenomena // J. Comput. Phys. 2001. 166, N 2. 271-301.
  12. Shi J., Zhang Y.-T., Shu C.-W. Resolution of high order WENO schemes for complicated flow structures // J. Comput. Phys. 2003. 186, N 2. 690-720.
  13. Nishikawa H., Kitamura K. Very simple, carbuncle-free, boundary-layer-resolving, rotated-hybrid Riemann solvers // J. Comput. Phys. 2008. 227. 2560-2581.
  14. Chauvat Y., Morschetta J.-M., Gressier J. Shock wave numerical structure and the carbuncle phenomenon // Int. J. Numerical Methods in Fluids. 2005. 47. 903-909.
  15. Dumbser M., Morschetta J.-M., Gressier J. A matrix stability analysis of the carbuncle phenomenon // J. Comput. Phys. 2004. 197. 647-670.
  16. Roe P., Nishikawa H., Ismail F., Scalabrin L. On carbuncles and other excrescences // AIAA Paper. 2005. N 4872.
  17. Kim K.H., Kim C., Rho O.-H. Methods for accurate computations of hypersonic flows: AUSMPV+ scheme // J. Comput. Phys. 2001. 174. 38-80.
  18. Sun M., Takayama K. An artificially upstream flux vector splitting scheme for the Euler equations // J. Comput. Phys. 2003. 189. 305-329.
  19. Тарнавский Г.А., Алиев А.В., Тарнавский А.Г. Компьютерное моделирование в аэромеханике: программный комплекс «Поток-5» // Авиакосмическая техника и технология. 2007. № 4. 27-38.
  20. Ковеня В.М., Тарнавский Г.А., Яненко Н.Н. Неявная разностная схема для численного решения пространственных уравнений газовой динамики // Журн. вычисл. матем. и матем. физики. 1980. 20, № 6. 1465-1482.
  21. Тарнавский Г.А., Волков В.Ф., Ганимедов В.Л. и др. Пакет прикладных программ «АРФА» для решения задач аэродинамики, гидродинамики, газовой динамики и механики сплошной среды // Госфонд алгоритмов и программ СССР. Регистрационный номер П007481. Инф. бюллетень «Алгоритмы и программы». 1984. № 5(62). 61-62.
  22. Тарнавский Г.А., Малыхин С.М., Алексеева Л.А. и др. Пакет прикладных программ «ЗАМЕР» для решения внешних задач аэродинамики. Препринт № 17 ИТПМ СО АН СССР. Новосибирск, 1986.
  23. Ковеня В.М., Тарнавский Г.А., Черный С.Г. Численное моделирование сверхзвукового обтекания тел пространственной конфигурации // Прикладные вопросы аэродинамики летательных аппаратов. Киев: Наукова Думка, 1984. 104-109.
  24. Тарнавский Г.А., Волков В.Ф., Ганимедов В.Л. и др. Пространственное обтекание тел вращения сверхзвуковым потоком газа. Препринт № 22 ИТПМ СО АН СССР. Новосибирск, 1984.
  25. Тарнавский Г.А., Федосов В.П. Об устойчивости течений с ударными волнами в совершенном газе с малыми показателями адиабаты // Числ. методы механики сплошн. среды. 1986. 17, № 4. 150-166.
  26. Тарнавский Г.А. Параметрические исследования задач внешнего обтекания тел сверхзвуковым потоком вязкого теплопроводного газа при низких числах Рейнольдса / Методы аэрофизических исследований. Новосибирск: ИТПМ СО АН СССР, 1986.
  27. Тарнавский Г.А. Таблицы обтекания головных частей тел сверхзвуковым потоком вязкого теплопроводного газа. Деп. в ВИНИТИ, № 2512 -В87. М., 1987.
  28. Тарнавский Г.А. Некоторые основные критерии и система поиска решений в банках данных пакетов прикладных программ в области аэродинамики // Численные методы механики сплошной среды. Красноярск: Изд-во ВЦ РАН, 1992. 196-198.
  29. Тарнавский Г.А., Лебедева М.К., Медведев А.Е. База данных Ext-Flow2 «Внешнее обтекание тел конечного размера потоком вязкого теплопроводного газа». Препринт № 3 ИТПМ СО РАН. Новосибирск, 1994.
  30. Тарнавский Г.А., Лебедева М.К., Медведев А.Е. База данных информационной поддержки численного моделирования задач внешней аэродинамики // Автометрия. 1994. № 5. 76-83.
  31. Тарнавский Г.А., Шпак С.И. Сравнительный анализ скоростных и температурных пограничных слоев и их эволюция в вязкостные и тепловые дорожки ближнего следа // Сиб. журн. индустр. математики. 1998. 1, № 1. 174-181.
  32. Тарнавский Г.А., Шпак С.И. Проблемы численного моделирования сверхзвукового ламинарно-турбулентного обтекания тел конечного размера // Математическое моделирование. 1998. 10, № 6. 53-74.
  33. Тарнавский Г.А., Шпак С.И. Расчет тепловых потоков при сверхзвуковом обтекании затупленных тел вязким газом // Изв. РАН. Механика жидкости и газа. 1999. № 3. 179-183.
  34. Тарнавский Г.А., Шпак С.И. Особенности гиперзвукового обтекания затупленных тел с возбуждением внутренних степеней свободы // Инженерно-физический журн. 2000. 73, № 2. 384-387.
  35. Тарнавский Г.А., Шпак С.И. Квазипериодический процесс установления стационарного режима обтекания при импульсном подводе энергии в набегающий поток // Журн. технической физики. 2000. 70, № 3. 82-86.
  36. Тарнавский Г.А., Шпак С.И. Способы расчета эффективного показателя адиабаты при компьютерном моделировании гиперзвуковых течений // Сиб. журн. индустр. матем. 2001. 4, № 1( efeq7). 177-197.
  37. Волков В.Ф., Тарнавский Г.А. Гиперзвуковое обтекание эллиптического конуса // Математические модели и методы их исследования. Красноярск: Изд-во ИВМ СО РАН, 2001. 145-148.
  38. Тарнавский Г.А., Тарнавский А.Г. Современные компьютерные технологии и неединственность численных решений задач газовой динамики: некоторые аспекты проблемы // Симметрия и дифференциальные уравнения (под ред. В.К. Андреева). Красноярск: Изд-во ИВТ СО РАН, 2002. 209-213.
  39. Тарнавский Г.А., Шпак С.И. Декомпозиция методов и распараллеливание алгоритмов решения задач аэродинамики и физической газовой динамики: вычислительная система «Поток-3» // Программирование. 2000. № 6. 45-57.
  40. Тарнавский Г.А., Шпак С.И. Схемы распараллеливания операций решения систем алгебраических уравнений методом многомерной скалярной прогонки // Вычислительные методы и программирование. 2000. 1, № 1. 21-29.
  41. Вшивков В.А., Тарнавский Г.А., Неупокоев Е.В. Параллелизация алгоритмов прогонки: многоцелевые вычислительные эксперименты // Автометрия. 2002. № 4. 74-86.
  42. Тарнавский Г.А., Корнеев В.Д. Распараллеливание программного комплекса математического моделирования высокоскоростных течений реального газа // Автометрия. 2003. № 3. 72-83.
  43. Тарнавский Г.А., Корнеев В.Д., Вайнер Д.А., Покрышкина Н.М., Слюняев А.Ю., Танасейчук А.В., Тарнавский А.Г. Вычислительная система «Поток-3’’: опыт параллелизации программного комплекса. Часть 1. Идеология распараллеливания // Вычислительные методы и программирование. 2003. 4, № 1. 37-48.
  44. Тарнавский Г.А., Вшивков В.А., Тарнавский А.Г. Параллелизация алгоритмов и кодов вычислительной системы «Поток-3» // Программирование. 2003. № 1. 24-44.
  45. Тарнавский Г.А., Алиев А.В., Тарнавский А.Г. Пространственное распараллеливание с переключением координатных направлений для решения уравнений математической физики на суперЭВМ // Параллельные вычислительные технологии. Труды Международной научной конференции ПаВТ’2007. Том 2. Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2007. 2. 109-112.
  46. Тарнавский Г.А. Неединственность ударно-волновых структур в реальных газах: маховское и/или регулярное отражение // Вычислительные методы и программирование. 2003. 4, № 2. 258-277.
  47. Тарнавский Г.А. Влияние углов отклонения потока в диффузоре гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя на формирование ударно-волновой структуры течения реального газа // Инженерно-физический журн. 2004. 77, № 3. 155-164.
  48. Тарнавский Г.А. Ударно-волновые режимы течения на входе в диффузор гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя: влияние высоты и скорости полета // Теплофизика высоких температур. 2005. 43, № 1. 57-70.
  49. Тарнавский Г.А. Изменение типа ударно-волновой структуры в высокоскоростных течениях // Прикладная механика и техническая физика. 2005. 46, № 2. 23-32.
  50. Тарнавский Г.А. Ударно-волновые режимы течения на входе в диффузор гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя: влияние физических свойств газовой среды // Инженерно-физический журн. 2006. 79, № 3. 171-184.
  51. Тарнавский Г.А., Тарнавский А.Г., Гилев К.В. Информационно-вычислительный Интернет-центр «Аэромеханика». Первая линия: программный комплекс «Удар» // Вычислительные методы и программирование. 2005. 6, № 1. 27-48.
  52. Тарнавский Г.А., Тарнавский А.Г., Алиев А.В., Жибинов С.Б. Интернет-центр по распространению научных знаний. Информационно-вычислительный комплекс «Поток» // Труды ИВМ и МГ СО РАН. Сер. «Информатика». 2006. 181-200.
  53. Тарнавский Г.А., Тарнавский А.Г., Алиев А.В., Жибинов С.Б. Интернет-центр SciShop.ru по распространению научных знаний: статистика посещений и первый опыт функционирования бизнес-портала // Труды ИВМ и МГ СО РАН. Сер. «Информатика». 2007. 7. 108-115.
  54. Тарнавский Г.А., Алиев А.В. Математическое моделирование: основные сегменты, их особенности и проблемы // Вычислительные методы и программирование. 2007. 8, № 2. 148-161.
  55. Тарнавский Г.А., Тарнавский А.Г., Алиев А.В., Жибинов С.Б. Информационные и телекоммуникационные проблемы математического моделирования на суперкомпьютерах // Труды ИВМ и МГ СО РАН. Сер. «Информатика». 2007. 7. 116-122.
  56. Белоцерковский О.М. Математическое моделирование на суперкомпьютерах (опыт и тенденции) // Журн. вычисл. матем. и матем. физ. 2000. 40, № 8. 1221-1236.
  57. Годунов С.К., Забродин А.В. О разностных схемах второго порядка точности для многомерных задач // Журн. вычисл. матем. и матем. физики. 1962. 2, № 4. 700-708.
  58. Годунов С.К., Забродин А.В., Иванов М.Я., Крайко А.Н., Прокопов Г.П. Численное решение многомерных задач газовой динамики. М.: Наука, 1976.
  59. Zhong X. New experiments in high-speed aerodynamics // J. Comput. Phys. 1998. 144. 622-709.
  60. Кабин С.В., Колин И.В., Святодух В.К., Суханов В.Л., Шуховцов Д.В. Экспериментальные исследования гистерезиса обтекания профилей сверхзвуковым потоком // Ученые записки ЦАГИ. 1999. 30, № 3-4. 61-68.
  61. Гилмор Р. Прикладная теория катастроф. М.: Мир, 1984.
  62. Park S.H., Kwon J.H. On the dissipation mechanism of Godunov-type schemes // J. Comput. Phys. 2003. 188. 524-542.
  63. Роуч П. Вычислительная гидродинамика. М.: Мир, 1980.
  64. Тарнавский Г.А. Метод расщепления и его применение для решения пространственных задач газовой динамики: Дисс. … кандидата физ.-мат. наук. Новосибирск: ИТПМ СО РАН, 1980.
  65. Тарнавский Г.А. Численное моделирование и пакетная технология решения внешних задач аэродинамики: Дисс. … доктора физ.-мат. наук. Новосибирск: ИТПМ СО РАН, 1994.
  66. Годунов С.К. Воспоминания о разностных схемах. Новосибирск: Наука, 1997.