Himičeskaâ fizikaHimičeskaâ fizikaХимическая физика0207-401XThe Russian Academy of Sciences68272810.31857/S0207401X25040087Combustion, explosion and shock wavesГорение, взрыв и ударные волныResearch ArticleNumerical simulation of supersonic turbulent combustion of hydrogen in a stream of hot humid airЧисленное моделирование турбулентного горения водорода в сверхзвуковом потоке горячего влажного воздухаNikonovА. М.НиконовА. М.
Russian Federation
amnikonov@mai.educationKharchenkoN. A.ХарченкоН. А.
Russian Federation
amnikonov@mai.educationMoscow Aviation Institute (National Research University)Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)21042025444697804062025Copyright ©; 2025, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2025, Российская академия наук2025Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://transsyst.ru/0207-401X/article/view/682728

The paper presents the results of solving the validation problem of turbulent combustion of a hydrogen jet in a supersonic flow of hot humid air in a symmetrical channel. Special attention is paid to the solution of the system of equations of chemical kinetics, which imposes a significant restriction on the time step, as well as the analysis of kinetic schemes used in the solution. The main computational difficulty is the detailed resolution of the wall region, due to the injection of a hydrogen jet into a turbulent boundary layer, in order to further reproduce experimentally obtained distributions of mole fractions and temperature in the outlet section of the channel, as well as the location of the ignition point.

В работе представлены результаты решения валидационной задачи турбулентного горения водородной струи в сверхзвуковом потоке горячего влажного воздуха в симметричном канале. Особое внимание в работе уделяется решению системы уравнений химической кинетики, накладывающему существенное ограничение на временно́й шаг, а также анализу используемых в решении кинетических схем. Основная вычислительная сложность – подробное разрешение пристеночной области вследствие впрыска водородной струи в турбулентный пограничный слой с целью дальнейшего воспроизведения экспериментально полученных распределений мольных долей и температуры в выходном сечении канала, а также местоположения точки воспламенения.

supersonic combustionturbulent boundary layerignition pointchemical kineticsunstructured gridsсверхзвуковое горениетурбулентный пограничный слойточка воспламененияхимическая кинетиканеструктурированные сеткиS.M. Frolov, V.S. Ivanov. Russ. J. Phys. Chem. B 15, 318 (2021). https://doi.org/10.1134/S1990793121020184Фролов С.М., Иванов В.С. // Хим. физика. 2021. Т. 40. № 4. С. 68.V.N. Mikhalkin, S.I. Sumskoi, A.M. Tereza et al. Russ. J. Phys. Chem. B 16, 629 (2022). https://doi.org/10.1134/S1990793122040261Михалкин В.Н., Сумской С.И., Тереза А.М. и др. // Хим. физика. 2022. Т. 41. №. 8. С. 3.S.M. Bosnyakov, M.E. Berezko, Yu.N. Deryugin et al. Math. modeling 35, 69 (2023). https://doi.org/10.20948/mm-2023-10-05Босняков С.М., Березко М.Э., Дерюгин Ю.Н. и др. // Мат. моделирование. 2023. Т. 35. № 10. С. 69.N.A. Kharchenko, A.M. Nikonov. Math. modeling and num. methods 2, 100 (2023). https://doi.org/10.18698/2309-3684-2023-2-100128Харченко Н.А., Никонов А.М. // Мат. моделирование и числ. методы. 2023. № 2. С. 100.V.Ya. Basevich, A.A. Belyaev, S.M. Frolov et al. Russ. J. Phys. Chem. B 13, 75 (2019). https://doi.org/10.1134/S1990793119010044Басевич В.Я., Беляев А.А., Фролов С.М. и др. // Хим. физика. 2019. Т. 38. № 8. С. 27.O.A. Bessonov, N.A. Kharchenko. Software Engineering 12, 302 (2021). https://doi.org/10.17587/prin.12.302-310Бессонов О.А., Харченко Н.А. // Программная инженерия. 2021. Т. 12. № 6. С. 302.N.A. Kharchenko. Numerical modelling of aerothermodynamics of high-speed aircraft. Phd Thesis (Phys. – Math.). Moscow: MIPT, 2021.Харченко Н.А. Численное моделирование аэротермодинамики высокоскоростных летательных аппаратов. Дис. … канд. физ.-мат. наук. М.: МФТИ, 2021.F.R. Menter, M. Kuntz. Langtry R. Turbulence, Heat and Mass Transfer 4, 625 (2003).Menter F.R., Kuntz M., Langtry R. // Turbulence, Heat and Mass Transfer. 2003. V. 4. P. 625.A.A. Matyushenko, A.V. Garabaruk. IOP Conf. Series: Journal of Physics 929, 6 (2017). https://doi.org/10.1088/1742-6596/929/1/012102Matyushenko A.A., Garabaruk A.V. // IOP Conf. Series: J. Physics. 2017. V. 929. P. 6.N.A. Kharchenko, A.M. Nikonov, N.A. Nosenko. Proc. XXXIII scient. and tech. conf. on aerodynamics, TSAGI, 101 (2022).Харченко Н.А., Никонов А.М. Носенко Н.А. // Матер. XXXIII науч. техн. конф. по аэродинамике. ЦАГИ, 2022. C. 101B.A. Zemlyansky, V.V. Lunev, V.I. Vlasov et al. Convective heat transfer of aircraft (Fizmatlit, Moscow, 2014).Землянский Б.А., Лунев В.В., Власов В.И. и др. Конвективный теплообмен летательных аппаратов. М.: Физмалит, 2014.V.Ya. Basevich, A.A. Belyaev, V.S. Ivanov et al. Russ. J. Phys. Chem. B 13, 636 (2019). https://doi.org/10.1134/S1990793119040171Басевич В.Я., Беляев А.А., Иванов В.С. и др. // Хим. физика. 2019. T. 38. № 8. C. 69.Degtyar V.G., Son E.E. Hypersonic aircraft (Yanus-K, Moscow, 2018).Дегтярь В.Г., Сон Э.Е. Гиперзвуковые летательные аппараты. М.: Янус-К, 2018.L.V. Gurvich, I.V. Veits, V.A. Medvedev. Thermodynamics properties of individual substance (Nauka, Moscow, 1978).Гурвич Л.В., Вейц И.В., Медведев В.А. Термодинамические свойства индивидуальных веществ. М.: Наука, 1978.V.M. Zhdanov, V.S. Galkin, O.A. Gordeev et al. Physico-chemical processes in gas dynamics. Handbook. Models of molecular transfer processes in physico-chemical gas dynamics / Edited by S.A. Losev. 3 (Fizmatlit, Moscow, 2012).Жданов В.М., Галкин В.С., Гордеев О.А. и др. Физико-химические процессы в газовой динамике. Справочник. Т. 3. Модели процессов молекулярного переноса в физико-химической газодинамике / Под ред. С.А. Лосева. М.: Физмалит, 2012.R.B. Bird, W.E. Stewart, E.W. Lightfoor. Transport Phenomena. 2nd ed / Edited by P. Kulek (Wiley, N.Y., 2002).Bird R.B., Stewart W.E., Lightfoor E.W. Transport Phenomena. 2nd ed / Ed. Kulek P. N.Y.: Wiley, 2002.M.-S. Liou. J. Comput. Phys. 129, 364 (1996). https://doi.org/10.1006/JCPH.1996.0256M.-S. Liou // J. Comput. Phys. 1996. V. 129. P. 364.K. Kitamura. Advancement of Shock Capturing Computational Fluid Dynamics Methods: Numerical Flux Functions in Finite Volume Method (Springer, Singapore, 2020). https://doi.org/10.1007/978-981-15-9011-5Kitamura K. Advancement of Shock Capturing Computational Fluid Dynamics Methods: Numerical Flux Functions in Finite Volume Method. Singapore: Springer, 2020.SS Chen, FJ Cai, HC Xue et al. Appl. Math. Model 77, 1065 (2020). https://doi.org/10.1016/j.apm.2019.09.005Chen S.S., Cai F.J., Xue H.C. et al. // Appl. Math. Model. 2020. V. 77. P. 1065.I.A. Kryukov, I.E. Ivanov, E.V. Larina. Physical-Chemical Kinetics in Gas Dynamics 22, 28 (2021). https://doi.org/10.33257/PhChGD.22.1.902Крюков И.А., Иванов И.Э., Ларина Е.В. // Физ.-хим. кинетика в газовой динамике. 2021. Т. 22. № 1. С. 28.K. Michalak, C. Ollivier-Gooch. Proc. 46th Aerospace Sciences Meeting. AIAA: Reno, Nevada, 15 10002 (2008). https://doi.org/10.2514/6.2008-776Michalak K., Ollivier-Gooch C. // Proc. 46th Aerospace Sciences Meeting. V. 15. AIAA: Reno, Nevada. 2008. P. 10002.M.C. Burrows, A.P. Kurkov. AIAA J. 11, 1217 (1973).Burrows M.C., Kurkov A.P. // AIAA J. 1973. V. 11. № 9. P. 1217.Z. Gao, C. Jiang, S. Pan et al. AIAA J. 53, 1949 (2015). https://doi.org/10.2514/1.J053585Gao Z., Jiang C., Pan S. et al. // AIAA J. 2015. V. 53. № 7. P. 1949.J.S. Evans, C.J. Schexnayder. Proc. 17th Aerospace Sciences Meeting. AIAA: New Orleans, LA, Paper 79-0355 (1979). https://doi.org/10.2514/6.1979-355Evans J.S., Schexnayder C.J. // Proc. 17th Aerospace Sciences Meeting. Paper 79-0355. AIAA: New Orleans, LA, 1979.J.H. Tien, J.S. Stalker. Combustion and Flame 130, 329 (2002). https://doi.org/10.1016/S0010-2180(02)00371-1Tien J.H., Stalker R.J. // Combust. and Flame. 2002. V. 130. P. 329.