شبیه‌سازی انعکاس شوک در جریان مافوق صوت

انعکاس شوک یکی از پدیده‌های مهم در جریان‌های مافوق صوت است که در کاربردهای هوافضا، نازل‌های مافوق صوت و موتورهای رم‌جت اهمیت زیادی دارد. وقتی یک موج شوک با دیواره یا مانعی برخورد می‌کند، به دلیل ناگهانی بودن تغییر فشار و چگالی، جریان در ناحیه برخورد تغییر جهت داده و یک شوک بازتابی ایجاد می‌شود. نحوه تشکیل و رفتار این شوک‌ها به شرایط ورودی جریان، زاویه برخورد و هندسه سطح بستگی دارد.

هندسه و شرایط مرزی

در شبیه‌سازی انعکاس شوک، معمولاً یک کانال یا دامنه مستطیلی با دیواره‌های صاف تعریف می‌شود. شرایط مرزی شامل:

• ورودی جریان مافوق صوت با عدد ماخ مشخص

• خروجی جریان با فشار محیط یا فشار ثابت

• دیواره‌ها با شرط بدون لغزش و انعکاس آدیاباتیک

با این تنظیمات می‌توان رفتار انعکاس شوک و ساختار جریان پس از برخورد با دیواره را دقیق بررسی کرد.

برسی فشار در مسئله

مدل فیزیکی و معادلات حاکم

معادلات اویلر یا ناویر–استوکس تراکم‌پذیر برای حل جریان مورد استفاده قرار می‌گیرند. در جریان‌های مافوق صوت، گرادیان‌های فشار و چگالی بسیار زیاد هستند و تشکیل شوک‌های نازک اتفاق می‌افتد. برای شبیه‌سازی دقیق، روش‌های تفاضل محدود با قابلیت ثبت ناپیوستگی‌های جریان مانند Roe یا AUSM استفاده می‌شوند.

اگر جریان دارای توربولانس باشد، می‌توان از مدل‌های RANS یا حتی LES برای تحلیل جزئیات دینامیکی استفاده کرد، به ویژه زمانی که انعکاس شوک باعث ایجاد گردابه‌های پیچیده و جداشدگی جریان شود.

برسی لذجت گردابه ای در مسئله

انواع انعکاس شوک

1. انعکاس مستقیم (Regular Reflection)
   در این حالت، شوک بازتابی به‌صورت ساده و با زاویه مشخص شکل می‌گیرد و هیچ ناحیه پیچیده‌ای در ساختار جریان ایجاد نمی‌شود.

2. انعکاس سه‌گانه یا پیچیده (Mach Reflection)
   در زاویه‌های بزرگ یا سرعت‌های بالا، یک شوک اصلی، شوک بازتابی و یک شوک زاویه‌ای سوم با هم تلاقی می‌کنند و یک ناحیه مثلثی با جریان شدید در نزدیکی نقطه برخورد تشکیل می‌شود. این پدیده باعث افزایش فشار و دمای موضعی می‌شود.

برسی انرژی جنبشی متلاتم

حل عددی و تحلیل CFD

شبیه‌سازی انعکاس شوک به صورت ناپایا (Transient) انجام می‌شود تا موقعیت و حرکت شوک در طول زمان ثبت گردد. شبکه‌بندی در نزدیکی دیواره‌ها و نواحی محتمل شوک ریزتر انتخاب می‌شود تا لبه‌های ناپیوستگی جریان به دقت مدل شوند. خروجی‌ها شامل:

• توزیع فشار و دما در طول کانال

• شکل و زاویه شوک بازتابی

• مکان تشکیل Mach Stem و Triple Point

• شدت تغییرات جریان و گردابه‌های ناشی از انعکاس

این داده‌ها امکان تحلیل دقیق تأثیر زاویه برخورد، عدد ماخ و هندسه کانال بر فشار و دمای موضعی را فراهم می‌کند.

برسی دما

جمع‌بندی

انعکاس شوک یکی از پدیده‌های پیچیده در جریان‌های مافوق صوت است که می‌تواند باعث افزایش ناگهانی فشار و دما شود. شبیه‌سازی CFD با مدل‌های تراکم‌پذیر، شبکه‌بندی دقیق و تحلیل گذرا، ابزار بسیار کارآمدی برای پیش‌بینی رفتار شوک و طراحی نازل‌ها، دیواره‌های هدایت جریان و سیستم‌های هوافضا فراهم می‌کند.