Численное и экспериментальное исследование совместного развития локализованных возмущений от нескольких источников в сверхзвуковом пограничном слое

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 21-79-00097

НазваниеЧисленное и экспериментальное исследование совместного развития локализованных возмущений от нескольких источников в сверхзвуковом пограничном слое

Руководитель Яцких Алексей Анатольевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук , Новосибирская обл

Конкурс №60 - Конкурс 2021 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-105 - Газо- и гидродинамика технических и природных систем

Ключевые слова сверхзвуковой пограничный слой, ламинарно-турбулентный переход, контролируемые возмущения, волновой пакет, импульсный электрический разряд, термоанемометр, эксперимент, прямое численное моделирование

Код ГРНТИ30.17.31

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
При полете летательных аппаратов (ЛА) вблизи поверхности образуется область течения, характеристики которого (скорость, плотность, температура) значительно изменяются в зависимости от нормальной координаты – пограничный слой (ПС). Характер течения в ПС определяет сопротивление, оказываемое на ЛА со стороны окружающей среды, и тепловые потоки к поверхности. Принято выделять два вида течения в ПС – ламинарный и турбулентный. В случае турбулентного обтекания сопротивление и нагрев поверхности значительно большие по сравнению со случаем ламинарного течения в ПС. Практически значимой является задача предсказания положения ламинарно-турбулентного перехода в ПС, образующегося на поверхности летательных аппаратов. Эксперименты показывают, что даже в случае малого уровня возмущений в набегающем потоке в ПС наблюдаются пульсации, нарастание которых приводит к ламинарно-турбулентному переходу. Эти возмущения часто называют «естественными». Они обладают широким амплитудно-частотным спектром и, с точки зрения наблюдателя, являются случайными. В случае малого уровня возмущений в набегающем потоке, что характерно для полета ЛА на большой высоте, в процессе ламинарно-турбулентного перехода в ПС условно можно выделить следующие основные стадии: 1) генерация возмущений в ПС (в том числе задача восприимчивости); 2) экспоненциальный рост пульсаций согласно линейной теории гидродинамической неустойчивости; 3) нелинейная стадия эволюции и взаимодействия возмущений с последующим разрушением ламинарного течения до состояния турбулентности. Современные методы предсказания положения ламинарно-турбулентного перехода в пограничных слоях основываются на расчете роста возмущений. Для улучшения и создания новых методов предсказания положения ламинарно-турбулентного перехода необходимы подробные данные по возникновению возмущений и их развитию в пограничных слоях. Для моделирования «естественного» сценария перехода к турбулентности необходимы детальные данные - о механизмах генерации начального поля возмущений в ПС; - об взаимодействии возмущений при развитии вниз по потоку. Данный проект фокусируется на этих задачах, и основывается на ранее проведенных исследованиях с участием автора по изучению ламинарно-турбулентного перехода в ИТПМ СО РАН. В 2018-2019 годах при непосредственном участии руководителя проекта выполнялись расчетно-экспериментальные исследования по взаимодействию контролируемых волновых поездов (периодические возмущения с узким частотным спектром), генерируемые в сверхзвуковом пограничном слое пластины двумя изолированными точечными источниками. Изучалось развитие периодических возмущений как от одного источника, так и для двух источников, работающих в синхронном режиме и со сдвигом фаз. В случае синхронной работы двух источников в волновых спектрах наблюдается увеличение амплитуды, по сравнению со случаем одиночного источника, и образование узлов и пучностей. Наблюдаемая картина развития возмущений в пограничном слое (увеличении амплитуды, узлы и пучности в волновом спектре) соответствует интерференции волн, порожденных разнесенными источниками возмущений. При наличии сдвига фаз в работе источников наблюдалось смещение положения узлов и пучностей в волновом спектре, что также хорошо описывается интерференцией. Таким образом, впервые расчетным и экспериментальным образом была показана интерференция возмущений двумерного ПС для случая сверхзвуковых скоростей потока. Основываясь на этих результатах, можно предположить, что в случае введения нескольких возмущений с широким частотным спектром на начальных этапах развития, их интерференция может привести к формированию в пограничном слое поля пульсаций, аналогичному наблюдаемых в экспериментах. Такой подход позволит моделировать "естественный" сценарий ламинарно-турбулентного перехода в ПС как в экспериментах, так и в исследованиях прямым численным моделированием. Следует отметить, что близкий по сути подход (многосоставные источники контролируемых возмущений) успешно применяется в исследованиях ламинарно-турбулентного перехода в ПС при малых дозвуковых скоростях потока (работы под руководством Козлова В.В.(ИТПМ СО РАН) и Качанова Ю.С.(ИТПМ СО РАН). В данном проекте будут проводиться расчетные и экспериментальные исследования по возбуждению и развитию в сверхзвуковом ПС возмущений с широким частотным спектром от разнесенных источников. Два источника в импульсном режиме вводят пару локализованных в пространстве возмущений с широким частотным спектром. Будет изучаться влияние временного сдвига в работе источников на генерируемые возмущения и их совместное развитие вниз по потоку. Эксперименты будут проводиться в сверхзвуковой аэродинамической трубе Т-325 ИТПМ СО РАН на модели плоской пластины при числе Маха М=2. Возмущения будут вводиться двумя импульсными тлеющими разрядами. Прямое численное моделирование будет проводиться при близких к экспериментам параметрах потока, а возмущения генерироваться локализованным по пространству импульсным изменением граничных условий. Совместный анализ экспериментальных данных и результатов расчетов позволит определить основные механизмы формирования возмущений в сверхзвуковом ПС и особенности их развития вниз по потоку. Для случая сверхзвуковых скоростей потока исследований в такой постановке ранее не проводилось.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ