Supersonic flows of an inviscid compressible gas in aerodynamic windows of gas lasers

Authors

  • K.N. Volkov
  • V.N. Emelyanov
  • A.V. Pustovalov

Keywords:

aerodynamic window
supersonic flow
nozzle
jet
numerical simulation
finite volume method
marching method
Riemann problem

Abstract

Development of mathematical modeling tools designed for calculations of supersonic flows in aerodynamic windows of gas lasers is considered. Numerical simulation of steady-state supersonic flows of an ideal compressible gas in curvilinear channels and nozzles with various pressure differences is performed on the basis of a finite volume method and a marching scheme. Flow patterns in supersonic jets observed with the uniform velocity distribution and a free vortex velocity distribution on the nozzle outlet section are compared. Channel designing tools are developed based on the solutions of a sequence of direct problems. The numerical results show a high efficiency of the software developed for problems related to the channel profiling and to the control of steady-state supersonic jet flows.

New computational technologies

Downloads

Published

2014-12-18

Issue

Vol. 15 (2014): Issue 4.

Section

Section 1. Numerical methods and applications

Author Biographies

K.N. Volkov

D.F. Ustinov Baltic State Technical University «Voenmekh»
• Leading Researcher

V.N. Emelyanov

D.F. Ustinov Baltic State Technical University «Voenmekh»
• Professor

A.V. Pustovalov

D.F. Ustinov Baltic State Technical University «Voenmekh»
• Researcher

References

  1. Борейшо А.С. Мощные мобильные химические лазеры // Квантовая электроника. 2005. 35, № 5. 393-406.
  2. Parmentier E.M. Supersonic flow aerodynamic windows for high power lasers // AIAA Paper. 1972. N 72-710.
  3. Parmetier E.M., Greenberg R.A. Supersonic flow aerodynamic windows for high-power lasers // AIAA Journal. 1973. 11, N 7. 943-949.
  4. Ефремов Н.М., Тихонов Б.А. Экспериментальное исследование газодинамических окон газовых лазеров // Известия АН СССР. Механика жидкости и газа. 1977. № 2. 192-196.
  5. Behrens H.W., Shwartz J., Kulkarny V.A. Beam quality of continuous and pulsed axial aerodynamic windows // Proceedings of SPIE. 1982. 343
    doi 10.1117/12.933733
  6. Хайлов В.М., Шеломовский В.В. Аэродинамическое окно с отношением разделяемых давлений более 500 // Инженерно-физический журнал. 1991. 61, № 6. 947-952.
  7. Guile R.N., Mapes S.N., Director M.N., Coulter L.J. Performance of a multi-element centrifugal aerowindow // AIAA Paper. 1974. N 74-227.
  8. Guile R.N., Hilding W.E. Investigation of a free-vortex aerodynamic window // AIAA Paper. 1975. N 75-122.
  9. Шеломовский В.В. Сопла, реализующие на срезе поток свободного вихря, и особенности течения в них // Ученые записки ЦАГИ. 1982. 13, № 1. 103-107.
  10. Гилерсон А.А., Панченко В.И., Рафиков В.Г., Сериков Р.И., Хайлов В.М. Исследование структуры потока и газодинамических характеристик аэродинамических окон со свободным вихрем // Ученые записки ЦАГИ. 1990. 21, № 4. 104-108.
  11. Masuda W., Yuasa M. Experimental study of a free-vortex aerodynamic window // Journal de Physique. 1980. 41. 423-429.
  12. Wildermuth E., Giesen A., HHugel H. Experimental investigations of a free-vortex aerodynamic window // Springer Proceedings in Physics. Vol. 15. Heidelberg: Springer, 1987. 96-100.
  13. Satake T., Sakai M., Watanabe T., Nakajima M., Horioka K. Experimental investigation of supersonic free-vortex flow with large asymmetry for aerodynamic laser windows // Japanese Journal of Applied Physics. 1998. 37, N 8. 4377-4382.
  14. Liu T., Jiang Z., Li W., Liu Z., Zhao Y. Studies on the aero-optical phenomena of free-vortex aerodynamic window’s jet // Chinese Journal of Lasers. 2002. 11, N 6. 425-431.
  15. Zhang D., Lu F.-Y., Li X.-Y. Numerical simulation of the overall flow and design of the free-vortex aerodynamic window // Infrared and Laser Engineering. 2005. N 6. 687-690.
  16. Волков К.Н. Влияние турбулентности на распространение когерентного луча в пограничном слое и слое смешения // Прикладная механика и техническая физика. 2010. 51, № 6. 63-77.
  17. Volkov K.N., Emelyanov V.N. Large-eddy simulation of turbulence-induced aero-optic effects in free shear flows // Journal of Physics: Conference Series. 2011. 318 (doi:10.1088/1742-6596/318/4/042062).
  18. Крайко А.Н., Шеломовский В.В. Построение и исследование плоских и осесимметричных конфигураций, создающих заданный поток. Анализ течения в соплах различных типов на их разгонном участке и в свободно расширяющейся гиперзвуковой струе // ЦИАМ. Технический отчет. 1978. o 8678.
  19. Крайко А.Н., Шеломовский В.В. О профилировании плоских и осесимметричных сопел и каналов, реализующих заданный сверхзвуковой поток в сечении выхода // Известия АН СССР. Механика жидкости и газа. 1981. № 4. 94-102.
  20. Емельянов В.Н., Пустовалов А.В. Среда разработки программных средств применительно к задачам численного моделирования газодинамических течений // Математические моделирование. 2003. 15, № 6. 59-64.
  21. Карамышев В.Б. Об одном подходе к конструированию маршевых алгоритмов решения стационарных задач газовой динамики // Журнал вычислительной математики и математической физики. 1992. 32, № 10. 1677-1679.
  22. Волков К.Н., Емельянов В.Н. Вычислительные технологии в задачах механики жидкости и газа. М.: Физматлит, 2012.
  23. Куликовский А.Г., Погорелов Н.В., Семенов А.Ю. Математические вопросы численного решения гиперболических систем уравнений. М.: Физматлит, 2001.
  24. Волков К.Н., Дерюгин Ю.Н., Емельянов В.Н., Козелков А.С., Карпенко А.Г., Тетерина И.В. Методы ускорения газодинамических расчетов на неструктурированных сетках. М.: Физматлит, 2014.