Применение локализованного энерговклада и иных способов активного воздействия на поток для решения фундаментальных проблем разработки перспективной аэрокосмической техникиНИР

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
4 1 января 2014 г.-31 декабря 2014 г. Применение локализованного энерговклада и иных способов активного воздействия на поток для решения фундаментальных проблем разработки перспективной аэрокосмической техники
Результаты этапа: 4.1. Управление сверхзвуковым обтеканием тел при помощи энерговклада в ло-кальных областях набегающего потока. Выполнено численное исследование сверхзвукового обтекания тел при наличии в набегающем потоке областей энерговклада малого размера. Проведены расчеты обтека-ния затупленных тел в диапазоне чисел Маха 1.5 – 3.0 с целью определения влияния ско-рости набегающего потока на устойчивость формирующихся передних отрывных зон и эффективность снижения волнового сопротивления. Установлено, что при динамическом уменьшении размеров области энерговклада удается избежать негативных эффектов возникновения возвратно-циркуляционных течений и развития интенсивных поперечных пульсаций отрывных зон. В результате формируются квазистационарные изобарические отрывные застойные зоны. В слое смешения на границе таких зон возможно развитие сдвиговой неустойчивости Кельвина-Гельмгольца, что проявляется в генерации вихревых структур. Проверено, что общая конфигурация передних отрывных зон при этом сохраняется, а амплитуда пульсаций коэффициента сопротивления остается в допустимых пределах. В расчетах для очень малых областей энерговклада удалось достичь снижения волнового сопротивления 10 – 30% при значениях коэффициента эффективности (отношения сэкономленной и затраченной мощностей) более 100. Таким образом, для различных чисел Маха набегающего потока подтверждена перспективность концепции использования «тепловой иглы» в качестве средства снижения волнового сопротивления. 4.2: Взаимодействие тел с локальными неоднородностями в набегающем сверх-звуковом потоке. Выполнено численное исследование взаимодействия затупленных тел с локальными неоднородностями – газовыми пузырями пониженной и повышенной плотности в набегающем сверхзвуковом потоке. Обнаружен эффект возникновения резких положительных всплесков давления и плотности на «осциллограммах» построенных для точки торможения потока на поверхности тела. При числе Маха набегающего потока 2 для пузырей пониженной плотности зафиксированы 2 – 3 кратные пиковые значения давления, а для пузырей повышенной плотности – почти 100 кратные. Установлено, что всплеск давления в обоих случаях обусловлен фокусировкой сходящихся поперечных ударных волн на конечном отрезке оси симметрии внутри ударного слоя. Эффект фокусировки сходящейся к оси симметрии ударной волны приводит к резкому увеличению давления и плотности – «взрыву» в локальной области ударного слоя. Распространяющаяся по направлению к поверхности тела взрывная ударная волна вызывает всплеск давления и плотности. Обнаруженные новые эффекты фокусировки могут быть использованы для целенаправленного воздействия на тела, движущиеся в атмосфере с высокими скоростями. Кроме того они могут являться причиной, инициирующей разрушение природных объектов (например метеоритов). 4.3. Теоретические исследования вязких высокотемпературных сверхзвуковых течений. С помощью технологии HIGHTEMP, разработанной ранее для проведения исследований в области высокотемпературной газовой динамики, проведены параметрические расчеты квазистационарного течения углекислого газа в канале высокоэнтальпийной импульсной аэродинамической трубы ИТ-2М ЦАГИ и теплообмена на поверхности модели модели сегментально-конической формы, помещенной в канал. Получены численные данные о структуре течения в канале и ее динамике в процессе истечения газа из форкамеры, которые используются при подготовке и интерпретации экспериментов на установке. 4.4. Взаимодействие ударных волн с неоднородностями. Проведено численное параметрическое исследование эффекта фокусировки ударных волн при взаимодействии эллиптическими газовыми пузырями. Определено влияние начальных условий задачи – интенсивности падающей ударной волны, плотности газа в пузыре и формы пузыря – на режим фокусировки ударной волны. Обнаружено, что в случае тяжелого газа в пузыре режим фокусировки зависит в первую очередь от плот-ности газа. В случае легкого газа в пузыре определяющими режим фокусировки параметрами являются интенсивность падающей волны и форма пузыря. Определена качественная зависимость интенсивности фокусировки от формы пузыря. 4.5. Взаимодействие ударных волн с пограничным слоем. Проведено экспериментальное исследование в ударной трубе с рабочей частью квадратного сечения нестационарного осесимметричного взаимодействия отраженной ударной волны с пограничным слоем на игле, выступающей навстречу потоку, инициированному падающей ударной волной. Выявлены закономерности перестройки течения, вызванной отрывом пограничного слоя на игле, бифуркацией отраженной ударной волны и формированием лямбда – конфигурации ударных волн. Исследование выполнено для случая шероховатой иглы, проведено сопоставление с ранее полученными результатами для гладкой иглы. В условиях увеличенной толщины пограничного слоя на шероховатой игле обнаружены существенные различия в эволюции бифуркации для разных газов. В воздухе размеры бифуркации отраженной ударной волны и зоны отрыва на шероховатой игле заметно превышают аналогичные параметры течения для гладкой иглы, тогда как в углекислом газе существенной разницы в исследуемом течении для разных игл и пограничных слоев не наблюдается. По-видимому, обнаруженный эффект связан с тем, что процесс бифуркации определяется не только толщиной пограничного слоя, но и его внутренней структурой. 4.6. Управление течениями в пограничных слоях. Проведено численное исследование воздействия электрического разряда в сверхзвуковом газовом потоке на развитие турбулентного пограничного слоя перед плоским уступом. Показана возможность управления отрывом пограничного слоя посредством изменения мощности разряда: установлено, что с увеличением мощности точка отрыва перемещается вверх по потоку. При прочих равных условиях на охлаждаемых стенках отрыв происходит позднее (ниже по потоку), чем на теплоизолированных стенках. С использованием модифицированной «трехпалубной» модели выполнено аналитическое исследование устойчивости нестационарного свободного вязко-невязкого взаимодействия на трансзвуковых скоростях. Описана возможная причина развития бафтинга – нестационарных колебаний ударных волн у поверхности летательных аппаратов при их движении в трансзвуковом диапазоне скоростей. Именно, причиной бафтинга может быть возникновение условий для развития нелинейных околорезонансных колебаний газа у твердой поверхности при близости частоты возмущений, возникающих от внешних воздействий, к частоте возможных собственных колебаний газа на рассматриваемом участке течения. Околорезонансные колебания развиваются в окрестности местной сверхзвуковой зоны, в которой возникает ударная волна, которая подвергается воздействию периодических нелинейных возмущений. 4.7. Развитие новых численных методов расчета течений сжимаемого газа. Выполнен обзор различных способов использования разрывного метода Галеркина (DG) для расчета газодинамических задач с разрывными решениями. Сформулированы основные концепции новой программы для решения двумерных нестационарных газодинамических задач с разрывами для уравнений Эйлера. Предлагается использовать разрывный метод Галеркина совместно с WENO реконструкцией решения для треугольных неструктурированных сеток. На первом этапе происходит сильная интерполяция для получения значений вторых производных. На втором этапе производится Эрмитова WENO реконструкция значений вторых производных для монотонизации полученного решения. На третьем этапе производится реконструкция первых производных для монотонизации значений, полученных из исходного DG–решения. Подобный подход должен позволить сократить вычислительную сложность алгоритма и при этом обеспечить монотонность решения. Отдельное внимание предлагается обратить на выбор численных потоков между элементами (решение задачи Римана на границах) для достижения наибольшей точности и, одновременно, исключения проблемы возникновения карбункула.
5 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. Применение локализованного энерговклада и иных способов активного воздействия на поток для решения фундаментальных проблем разработки перспективной аэрокосмической техники
Результаты этапа: 1: Взаимодействие тел с локальными неоднородностями в набегающем сверхзвуковом потоке. (зав. лаб. Левин В.А., в.н.с. Георгиевский П.Ю.) Выполнено численное исследование взаимодействия обтекаемых сверхзвуковым потоком затупленных тел с газовыми пузырями эллипсоидальной формы, заполненными газом пониженной или повышенной плотности. Показано, что основной причиной внезапного повышения давления и плотности в критической точке затупленного тела является предшествующая ей фокусировка ударных волн в малом объеме на оси симметрии течения. Быстропротекающий процесс фокусировки в целом соответствует известным сценариям фокусировки при взаимодействии плоской ударной волны с газовыми пузырями пониженной и повышенной плотности с учетом некоторой специфики, обусловленной наличием тела. Для газовых пузырей пониженной плотности в соответствии с «дивергентным» сценарием взаимодействия реализуется режим «слабой фокусировки» вторичной тороидальной ударной волны сходящейся к оси симметрии. В этом случае всплеск давления и плотности в критической точке вызывается распространяющейся по направлению к поверхности тела отраженной от задней границы газового пузыря головной ударной волной, усиленной «дефокусирующейся» ударной волной, расходящейся от области фокусировки. Для газовых пузырей повышенной плотности реализуется режим «сильной фокусировки». В соответствии с «конвергентным» сценарием взаимодействия головная ударная волна огибает пузырь, и в результате реализуется «схлопывание» в очень малой области на оси симметрии сильной ударной волны, которое сопровождается формированием тонких сверхзвуковых кумулятивных струй. Показано, что именно взаимодействие сверхзвуковой кумулятивной струи с поверхностью вызывает драматический (двадцати – тридцати кратный) всплеск давления и плотности в критической точке тела. Данные эффекты оказываются чувствительными к фактору отношения плотностей внутри пузыря и в набегающем потоке, а также к размерам пузыря (по отношению к толщине ударного слоя) и к его форме (при увеличении поперечного размера пузыря эффекты исчезают). Результаты представлены на конференции The 30th International Symposium on Shock Waves. July 19–24, 2015, Tel Aviv, Israel. 2. Взаимодействие ударных волн с локальными неоднородностями. (зав. лаб. Левин В.А., с.н.с. Сутырин О.Г.) С использованием ресурсов суперкомпьютера «Ломоносов» МГУ выполнено исследование взаимодействия ударных волн с эллипсоидальными газовыми пузырями пониженной или повышенной плотности на подробных многоблочных расчетных сетках. Проведено параметрическое исследование течения в зависимости от интенсивности падающей волны, плотности газа в пузыре и формы пузыря. Выработана классификация режимов фокусировки (кумуляции) возникающих поперечных ударных волн, выделены режимы кумуляции волн внутри и снаружи деформированного газового пузыря. Обнаружено, что в случае пузыря газа пониженной плотности, режим фокусировки определяется в первую очередь интенсивностью падающей волны и формой пузыря. В случае газа повышенной плотности ключевым параметром является избыток плотности газа в пузыре: при недостаточной плотности газа в пузыре фокусировка волн происходит только вне пузыря. Определена зависимость интенсивности фокусировки от параметров задачи, выявлено, что наибольшие давление и плотность газа достигаются при фокусировке волн внутри пузыря. Результаты опубликованы в основ-ном международном журнале в области ударных волн Shock Waves, 2015, 25(4), 357–369 а также представлены на международной конференции The 30th International Sym-posium on Shock Waves. July 19–24, 2015, Tel Aviv, Israel. (с.н.с. Фокеев В.П., с.н.с. Гринь Ю.И.) Проведено экспериментальное исследование в ударной трубе квадратного сечения в углекислом газе сложного нестационарного процесса формирования передней осесимметричной отрывной зоны перед затупленным телом с иглой, выступающей навстречу потоку с нулевым углом атаки, при падении на него ударной волны. Выявлены особенности картины течения при переходе от стадии бифуркации волны в результате взаимодействия ее с пограничным слоем на игле при отражения ударной волны от сферы к стадии обтекания сферы с формированием отрывной зоны, вызывающей понижение механических и тепловых нагрузок на сфере. Результаты опубликованы в журнале Письма в ЖТФ, 2015, 41(16): 61–67. (м.н.с. Чугунов А.В.) Освоен вычислительный пакет ANSYS в приложении к различным задачам газовой динамики со сверхзвуковыми течениями. Рассматривались как невязкие течения на основе уравнений Эйлера, так и вязкие, на основе осредненных уравнений Навье-Стокса с различными моделями турбулентности. При работе с пакетом использовались различные варианты построения сеток: равномерные сетки, сетки со сгущением в заданных областях; а также, переменные сетки, с возможностью адаптации по различным критериям, в зависимости от поведения решения в процессе расчёта. В широком диапазоне определяющих параметров решена задача о бифуркации ударной волны при ее отражении от торца плоского стакана для условий эксперимента в НИИ механики МГУ. Размеры стакана соответствовали реальному эксперименту, а число Рейнольдса изменялось за счёт изменения плотности и давления газа (в качестве характерного раз-мера использовалась ширина канала). Применялась модель турбулентности k-ω SST, а для более точного разрешения сложных газодинамических структур были использованы адаптирующиеся к особенностям течения расчетные сетки. В расчетах ударная вол-на проходила весь стакан, за ней на стенке образовывался пограничный слой, а затем происходило отражение волны от торца стакана и ее взаимодействие её с пограничный слоем с образованием сложной газодинамической структуры типа «предвестник». При этом увеличение плотности и давления газа (а значит, и числа Рейнольдса) приводили к ослаблению и уменьшению, как структуры предвестника, так и вихрей за ударной волной. 3. Управление течениями в пограничных слоях. (зав.лаб. Левин В.А., н.с. Ларин О.Б.) Численно исследовано влияние электрического разряда в сверхзвуковом газовом потоке, моделируемого источником тепла заданной интенсивности и конфигурации, на развитие турбулентного пограничного слоя перед плоской ступенькой. Показано, что в случае достаточно большой мощности разряда передача тепла к стенке не оказывает влияния на положение точки отрыва, который возникает при сдвиговом напряжении на поверхности тела, не равном нулю, и обусловлен развитием возвратного течения в ядре пограничного слоя. Результаты опубликованы в журнале ПМТФ 2015, 56 (3): 89–95. (в.н.с. Богданов А.Н.) Описана возможная причина развития бафтинга – нестационарных колебаний ударных волн у поверхности летательных аппаратов при их движении в трансзвуковом диапазоне скоростей. В каналах нелинейные околорезонансные колебания газа (распространяющиеся по газу периодические скачки сжатия – ударные волны) возникают при близости частоты внешних возмущений, падающих на открытый конец канала, к частоте возможных собственных колебаний газа в канале. Для течения в пограничном слое вблизи поверхности летательного аппарата в качестве концов «канала» могут служить геометрические границы тела, или также особенности течения (такие как, ударные волны, замыкающие локальные сверхзвуковые зоны при трансзвуковом обтекании профилей). Однако, определение величин коэффициентов отражения малых возмущений от поверхности ударной волны, имеющей различный угол наклона к направлению течения, показало, что эти коэффициенты в условиях рассматриваемого околозвукового течения (когда ударные волны имеют невысокую интенсивность) малы, то есть малые возмущения эффективно поглощаются скачком, и такой вариант развития бафтинга маловероятен. Более вероятным представляется вариант, когда развитие околорезонансных колебаний происходит на всей длине поверхности летательного аппарата, а указанная область от задней границы местной сверхзвуковой зоны до конечной точки поверхности летательного аппарата лишь часть общей картины течения. Показано, что независимо от числа Маха околозвукового течения малые возмущения сохраняют свою амплитуду при последовательном отражении от концов канала. Это свойство определяется условием постоянства расхода через канал. Таким образом, возможно, что околорезонансные колебания развиваются в местной сверхзвуковой зоне и независимо от нее. Роль местной сверхзвуковой зоны в том, что в ней возникает ударная волна, которая подвергается воздействию периодических нелинейных возмущений. Результаты представлены на VIII Международном аэрокосмическом конгрессе IAC’2015 (Москва, 28-31 августа 2015) и VIII Международной конференции «Лаврентьевские чтения по математике, механике и физике» (Новосибирск, 7–11 сентября 2015).

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".