|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ФИЦ ПХФ и МХ РАН |
||
РФФИ 14-01-00891: Управление сверхзвуковым обтеканием тел при помощи организации вблизи их поверхности и в набегающем потоке областей энерговклада и иных неоднородностейНИР
The control of supersonic flow past bodies in the presence of energy deposition zones and other inhomogeneities upstream
- Руководитель НИР: Левин В.А.
- Участники НИР: Афонина Н.Е., Богданов А.Н., Георгиевский П.Ю., Гринь Ю.И., Громов В.Г., Ларин О.Б., Максимов А.Н., Сутырин О.Г., Фокеев В.П.
- Подразделение: 112 Лаборатория газодинамики взрыва и реагирующих систем
- Срок исполнения: 1 января 2014 г. - 31 декабря 2016 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): РФФИ 14-01-00891
- Номер ЦИТИС: 01201458270
- Тип: Фундаментальная
- Приоритетное направление научных исследований: Движение сплошных сред с физико-химическими превращениями
- ПН России: Транспортные и космические системы
- Направление технологического прорыва России: Энергоэффективность и энергосбережение
-
Рубрики ГРНТИ:
- 30.17.31 Пограничный слой
- 30.17.33 Газовая динамика
-
Ключевые слова:
ударная волна, сверхзвуковые течения, бифуркация ударной волны, кумуляция, газовый пузырь, фокусировка, локализованный энерговклад, передняя отрывная зона, волновое сопротивление
local energy deposition, shock wave, supersonic flow, shock wave bifurcation, wave drag, gas bubble, focusing, front separation zone, cumulation -
Описание:
Изучается фундаментальная проблема управления сверхзвуковым обтеканием тел при помощи организации вблизи их поверхности и в набегающем потоке областей энерговклада и иных неоднородностей с целью оптимизации аэродинамических характеристик перспективных летательных аппаратов. Определяются условия формирования и характеристики двух- и трехмерных отрывных течений, возникающих перед лобовой поверхностью тел при энерговкладе в набегающий сверхзвуковой поток, и оценивается эффективность снижения сопротивления тел. Изучаются аэродинамика и теплообмен сверхзвуковых летательных аппаратов при наличии в потоке областей энерговклада. Численно и экспериментально исследуется взаимодействие распространяющихся в газовых средах ударных волн с неоднородностями различной природы. Анализируется явление отрыва сверхзвукового ламинарного и турбулентного пограничного слоев на аэродинамических профилях в условиях локального энерговклада вблизи поверхности. Проводится асимптотическое исследование нестационарных трансзвуковых свободно вязко–невязко взаимодействующих течений над упругой или пористой поверхностями при наличии вдвува и неоднородном распределении параметров в набегающем потоке.
-
Планируемые результаты:
1. Разработка (на базе имеющегося) оригинального комплекса программ для расчета нестационарного трехмерного сверхзвукового обтекания тел невязким газом при наличии в набегающем потоке областей энерговклада и неоднородностей различного типа. Адаптация алгоритмов и программ для выполнения высокопроизводительных параллельных вычислений как на настольных системах с общей памятью по технологии Open MP, так и крупных кластерах по технологии MPI. Численное исследование нестационарного двух- и трехмерного обтекания тел при наличии в набегающем потоке локализованного энерговклада и иных неоднородностей. Определение условий формирования и характеристик двух- и трехмерных отрывных течений, возникающих перед лобовой поверхностью тел, оценка эффективности снижения сопротивления тел. Поиск новых эффектов, специфичных для трехмерных конфигураций. 2. Модернизация оригинального вычислительного комплекса HIGHTEMP, предназначенного для расчета высокотемпературных течений вязкого газа с учетом быстропротекающих физических и химических процессов. Доработка алгоритмов и программ для использования многопоточных процессоров. Численное исследование аэродинамики и теплообмена сверхзвуковых летательных аппаратов при наличии в набегающем потоке областей энерговкада и неоднородностей различного типа. 3. Разработка (на базе имеющегося) оригинального комплекса программ для расчета двух- и трехмерного взаимодействия ударных волн с неоднородностями различной конфигурации – «следом» и «газовыми пузырями» высокой или низкой плотности, «тяжелыми» или «легкими», иного физико-химического состава, в том числе с горючими газовыми пузырями и пылевыми облаками. Адаптация алгоритмов и программ для выполнения высокопроизводительных параллельных вычислений. Численное исследование взаимодействия ударных волн с различными газовыми «пузырями». Исследование эффекта формирования отрывных течений при нестационарном взаимодействии скачка уплотнения с тонким температурным следом. 4. Модификация диагностического измерительного комплекса ударной трубы с квадратным сечением рабочей части (12 см х 12 см) для использования современной цифровой аппаратуры. Продолжение работ по созданию новой экспериментальной установки – диагностического стенда для изучения взаимодействия сферических и цилиндрических ударных волн, а также взаимодействия ударных волн с газовыми разрядами. Проведение экспериментов по изучению взаимодействия отраженной ударной волны с пограничным слоем на пластине и тонкой игле, а также по воздействию газового разряда на режимы отражения ударной волны от поверхности различных тел. 5. Модификация асимптотических и численных методов расчета течений в транс- и сверхзвуковых пограничных слоях для учета эффектов локализованного энерговклада, свободного вязко-невязкого взаимодействия, а также характеристик поверхности – упругости, пористости, проницаемости. Численное исследование явления отрыва сверхзвукового ламинарного и турбулентного пограничного слоя на аэродинамических профилях в условиях локального энерговклада вблизи поверхности. Аналитическое исследование нестационарных трансзвуковых свободно вязко–невязко взаимодействующих течений над упругой или пористой поверхностями при наличии вдвува и неоднородном распределении параметров в набегающем потоке.
-
Основные результаты:
1. Для различных чисел Маха потока выполнено численное исследование сверхзвукового обтекания тела при наличии в набегающем потоке области энерговклада малого размера и тонкого высокотемпературного следа за ней – «тепловой иглы»; подтверждена перспективность использования «тепловой иглы» в качестве средства снижения волнового сопротивления. 2. Проведено численное моделирование столкновения движущихся со сверхзвуковой скоростью тел с газовыми пузырями пониженной и повышенной плотности при различных числах Маха; обнаружен эффект внезапного скачкообразного увеличения давления и плотности в критической точке тела в результате фокусировки поперечных ударных волн на оси симметрии. 3. С использованием ресурсов суперкомпьютера «Ломоносов» МГУ выполнено исследование взаимодействия ударных волн с эллипсоидальными газовыми пузырями пониженной или повышенной плотности на подробных многоблочных расчетных сетках; определено влияние интенсивности падающей ударной волны, плотности газа в пузыре и формы пузыря на режимы фокусировки ударной волны. 4. Проведена модернизация экспериментальной установки – ударной трубы с квадратным сечением рабочей части; выполнено исследование 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. 5. Численно исследовано влияние электрического разряда в сверхзвуковом газовом потоке, моделируемого источником тепла заданной интенсивности и конфигурации, на развитие турбулентного пограничного слоя перед плоской ступенькой; установлена возможность управления отрывом пограничного слоя посредством изменения мощности разряда. 6. С использованием модифицированной «трехпалубной» модели пограничного слоя выполнено аналитическое исследование устойчивости нестационарного свободного вязко-невязкого взаимодействия на трансзвуковых скоростях; указана возможная причина развития бафтинга – нестационарных колебаний ударных волн у поверхности летательных аппаратов при их движении в трансзвуковом диапазоне скоростей.
- Добавил в систему: Сутырин Олег Георгиевич
Соисполнители НИР
| Российский фонд фундаментальных исследований | Координатор |
Источник финансирования НИР
| грант РФФИ |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 1 января 2014 г.-31 декабря 2014 г. | Управление сверхзвуковым обтеканием тел при помощи организации вблизи их поверхности и в набегающем потоке областей энерговклада и иных неоднородностей. Этап 1. |
| Результаты этапа: 1. Для различных чисел Маха потока (в диапазоне 1.5 –3.0) выполнено численное исследование сверхзвукового обтекания тел при наличии в набегающем потоке области энерговклада малого размера и тонкого высокотемпературного следа за ней – «тепловой иглы». Определены особенности формирования передних отрывных зон и эффективность снижения волнового сопротивления. 2. Выполнено численное исследование сверхзвукового обтекания сферы вязким газом при наличии локального энерговклада вблизи ее боковой поверхности и в области ближнего следа. Определено влияние энерговклада на тепловые нагрузки, волновое сопротивление и сопротивление трения. 3. Проведено численное параметрическое исследование эффекта фокусировки ударных волн при взаимодействии с эллиптическими газовыми пузырями. Определено влияние интенсивности падающей ударной волны, плотности газа в пузыре и формы пузыря на режимы фокусировки ударной волны. 4. На установке «ударная труба квадрат» проведено экспериментальное исследование взаимодействия отраженной ударной волны с осесимметричным пограничным слоем на тонкой игле, установленной у торца трубы. Исследовано явление бифуркации отраженной ударной волны. 5. 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. 6. С использованием модифицированной «трехпалубной» модели пограничного слоя 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. | ||
| 2 | 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. | Управление сверхзвуковым обтеканием тел при помощи организации вблизи их поверхности и в набегающем потоке областей энерговклада и иных неоднородностей. Этап 2. |
| Результаты этапа: 1: Взаимодействие тел с локальными неоднородностями в набегающем сверхзвуковом потоке. 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. 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). 2. Взаимодействие ударных волн с локальными неоднородностями. 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. Определена зависимость интенсивности фокусировки от параметров задачи. 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. 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 размера 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. 3. Управление течениями в пограничных слоях. 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. 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. | ||
| 3 | 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. | Управление сверхзвуковым обтеканием тел при помощи организации вблизи их поверхности и в набегающем потоке областей энерговклада и иных неоднородностей. Этап 3. |
| Результаты этапа: 1. Для различных чисел Маха потока выполнено численное исследование сверхзвукового обтекания тела при наличии в набегающем потоке области энерговклада малого размера и тонкого высокотемпературного следа за ней – «тепловой иглы». В расчетах для очень малых областей энерговклада за счет перестройки течения и формирования передних отрывных зон удалось достичь снижения волнового сопротивления 15 – 30% при значениях коэффициента эффективности (отношения сэкономленной и затраченной мощностей) более 100. Таким образом, для различных чисел Маха набегающего потока подтверждена перспективность использования «тепловой иглы» в качестве средства снижения волнового сопротивления. 2. Проведено численное моделирование столкновения движущихся со сверхзвуковой скоростью тел с газовыми пузырями пониженной и повышенной плотности при различных числах Маха. Обнаружен эффект внезапного скачкообразного увеличения давления и плотности в критической точке тела. Показано, что эффект объясняется воздействием тонких кумулятивных струй, формирующихся при фокусировке поперечных ударных волн на оси симметрии в результате перестройки течения при взаимодействии головной ударной волны с газовым пузырем. Проведено параметрическое исследование взаимодействия тел с эллипсоидальными газовыми пузырями различной плотности, размера и удлинения. 3. С использованием ресурсов суперкомпьютера «Ломоносов» МГУ выполнено исследование взаимодействия ударных волн с эллипсоидальными газовыми пузырями пониженной или повышенной плотности на подробных многоблочных расчетных сетках. Изучен эффект формирования и фокусировки поперечных ударных волн, выделены различные режимы фокусировки в зависимости от положения точки фокусировки вне или внутри деформированного пузыря. Определено влияние интенсивности падающей ударной волны, плотности газа в пузыре и формы пузыря на режимы фокусировки ударной волны. 4. Проведена модернизация экспериментальной установки – ударной трубы с квадратным сечением рабочей части. Установлен новый высокоскоростной пневматический клапан, обеспечивающий большие интенсивности и меньшее время формирования падающей ударной волны. Проведено исследование взаимодействия отраженной ударной волны с осесимметричным пограничным слоем на тонкой игле, установленной у торца трубы. Проведено исследование 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. 5. 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. Установлена возможность управления отрывом пограничного слоя посредством изменения мощности разряда. 6. С использованием модифицированной «трехпалубной» модели пограничного слоя 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. Установлено, что околорезонансные колебания развиваются в окрестности местной сверхзвуковой зоны, в которой возникает ударная волна, которая подвергается воздействию периодических нелинейных возмущений. | ||
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".