ИСТИНА

Проект направлен на выявление и объяснение механизмов гистерезисного взаимодействия газовых потоков с системами тел и элементами рельефа обтекаемых поверхностей с акцентом на исследовании способов отбора и стабилизации благоприятных состояний течения. Исследуются режимы гистерезисного взаимодействия внешнего потока с отрывными и пристеночными структурами, возникающими около кольцевых каверн и уступов на осесимметричных телах, сферических и иных форм впадин и выступов на стенках каналов, а также в условиях аэродинамической интерференции при совместном обтекании нескольких тел. В ряде случаев, структура таких течений неоднозначна, что проявляется в существовании нескольких различных режимов при одинаковых физических и геометрических параметрах внешнего потока и геометрии границ. При этом картина наблюдаемого газодинамического течения может зависеть от предыстории его формирования, а само течение может быть относительно стабильным или метастабильным (склонным к самопроизвольному переходу в другое из возможных состояний под действием слабых возмущений). Это открывает перспективы целенаправленного управления крупномасштабной перестройкой течений за счет относительно малых управляющих воздействий. Гистерезисные режимы течений представляют малоизученную фундаментальную задачу, актуальную также для ряда важных практических приложений в области аэродинамики и теплофизики. Планируется продолжение исследований, поддержанных ранее РФФИ по проекту №15-01-99623 (2015-2017), в ходе выполнения которого были получены новые результаты фундаментального характера, в том числе выявлены новые типы аэродинамического гистерезиса при сверхзвуковом обтекании решеток и кольцевых каверн. Фундаментальным результатом настоящего исследования будет получение нового знания о механизмах проявления различных типов аэродинамического гистерезиса и возможностях управления гистерезисными состояниями течений для достижения благоприятных газодинамических свойств при обтекании систем тел и элементов рельефа границ. В том числе - классификация известных и выявленных новых типов аэродинамического гистерезиса и соответствующих свойств сверхзвуковых отрывных течений при аэродинамической интерференции систем тел; выявление параметров эффективного управления потоком в области гистерезиса при обтекании кольцевых каверн и уступов на осесимметричных телах под углом атаки; детальное описание нестационарного процесса переключения метастабильных состояний обтекания глубоких лунок рельефа стенок каналов. Сведения об условиях возникновения неоднозначных режимов обтекания и развития автоколебаний потока важны, например, при разработке систем стабилизации и управления техническими объектами с целью предупреждения нештатных ситуаций в процессе полета. Результаты изучения метастабильных состояний течения в пространственных углублениях на плоской границе будут полезным дополнением многочисленных известных исследований теплофизики каналов с искусственными рельефами стенок. Работа выполняется на основе сочетания методов экспериментального (в аэродинамических трубах) и численного моделирования газодинамических течений взаимодействия.

The project aims at the identification and explanation of hysteretic mechanisms of the compressible flow interaction with systems of bodies and elements of streamlined surfaces. The emphasis will be laid on the study of methods for the selection and stabilization of favorable flow states. Regimes of hysteretic interaction of the external flow with separated and nearwall structures, which arise over annular cavities and ledges on axisymmetric bodies, spherical and other shapes of hollows and bumps on the walls of channels, as well as in conditions of aerodynamic interference in the flow over several bodies, are investigated. In some cases, the structure of such flows is non-unique; this means the existence of several different flow regimes at the same physical and geometric parameters of the external flow and the geometry of boundaries. In this case, the pattern of the gas-dynamic flow at hand may depend on the time history, and the flow itself may be relatively stable or metastable (prone to spontaneous transition to another state of a few possible ones under weak perturbations). This opens up prospects of expedient management of large-scale flow restructuring due to relatively small control effects. Hysteretic flow regimes are a poorly studied fundamental problem, which is relevant also for a number of important practical applications of Aerodynamics and Thermophysics. It is planned to continue the research supported earlier by RFBR under the project № 15-01-99623 (2015-2017), during which new fundamental results were obtained, including the identification of new types of aerodynamic hysteresis in supersonic flow over gratings and annular cavities. A basic result of this study will be to gain new knowledge of mechanisms, which lead to various types of aerodynamic hysteresis, and also possibilities of controlling the hysteretic flow states to achieve favorable gas-dynamic properties in the flow over the systems of bodies and elements of boundaries. This includes a classification of known and revealed new types of aerodynamic hysteresis and corresponding properties of supersonic separated flows at aerodynamic interference of systems of bodies; the identification of parameters of the effective flow control in conditions of flow hysteresis over annular cavities and ledges on axisymmetric bodies at angles of attack; a detailed description of the transient switching of metastable states for flow over deep hollows of channel walls. Information about the conditions of non-unique flow regimes and the development of self-sustained flow oscillations are of importance, e.g., for the development of stabilization and control systems for technical objects in order to prevent hazard situations during the flight. Results of the study of metastable flow states in 3D hollows at the plane boundary will be a useful contribution to well-known studies of the thermal physics of channels with artificial wall reliefs. The work will be carried out on the basis of a combination of experimental methods (in wind tunnels) and numerical simulation of gas-dynamic interaction flows.

Фундаментальным результатом исследования будет получение нового знания о механизмах проявления различных типов аэродинамического гистерезиса и возможностях управления гистерезисными состояниями течений для достижения благоприятных газодинамических свойств при обтекании систем тел, элементов рельефа границ и в ряде других ситуаций. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных, обобщение результатов данной работы позволят выявить ранее неизвестные закономерности высокой степени общности при управлении потоком в области гистерезиса (с помощью внесения возмущений от искусственных источников энергомассоподвода и др. средств управления). Выявленные закономерности, в свою очередь, позволят применить принципиально новый подход в исследованиях по управлению потоком в других сверхзвуковых течениях (например, для перестройки системы скачков уплотнения при обтекании периодических решетчатых конструкций и др. многосвязных тел), что будет способствовать формированию нового направления в области управления потоками. Помимо этого, проведенные исследования позволят выявить ряд перспективных технологий, которые могут способствовать повышению надежности некоторых типов летательных аппаратов.

Для реализации проекта коллектив располагает необходимым экспериментальным оборудованием и достаточными информационными ресурсами, а также многолетним опытом проведения расчетно-экспериментальных и теоретических исследований в области механики жидкости и газа. Научный задел по предлагаемому проекту складывается из имеющихся у членов коллектива достижений, нашедших отражение в ряде публикаций в рецензируемых изданиях, в том числе - из новых результатов, полученных в ходе выполнения поддержанного РФФИ проекта № 15-01-99623 "Аэродинамический гистерезис при обтекании каверн и систем тел" (2015-2017), продолжением которого является настоящий проект.