Моделирование воспламенения и горения спутной водородной струи в сверхзвуковом потоке воздуха

Представлены результаты численного исследования смешения, воспламенения и горения струи холодного водорода, распространяющейся вдоль нижней стенки канала параллельно сверхзвуковому $(\mathrm{M} = 2)$ потоку инертной газовой смеси / влажного горячего воздуха. Расчеты проведены с использованием коммерческого пакета ANSYS CFD Fluent на основе решения нестационарных осредненных по Фавру уравнений Навье–Стокса, дополненных $k{-}\omega$ SST моделью турбулентности и несколькими кинетическими схемами горения водорода. Рассмотрены две брутто-схемы и три детальные кинетики, включающие в себя $16$, $38$ и $37$ прямых и обратных реакций. Целью работы является выбор методики расчета и кинетического механизма, обеспечивающих хорошее совпадение с экспериментальными данными по сверхзвуковому горению спутной струи водорода. Показано, что в случае нереагирующего течения расчетный алгоритм позволяет достаточно точно предсказать параметры смешения струи водорода и внешнего потока. В случае реагирующего течения существенное влияние на характеристики течения оказывают крупные вихревые структуры, развивающиеся на границе слоя горения с внешним течением. Учет нестационарности в комбинации с детальной кинетической схемой, содержащей $37$ реакций, позволяет получить хорошее совпадение средних характеристик течения с экспериментальными данными о распределении давления, температуры, числа Маха и концентраций компонентов на выходе из камеры сгорания.