Разработка перспективных методов управления пограничным слоем на стреловидном крыле

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 23-19-00644

НазваниеРазработка перспективных методов управления пограничным слоем на стреловидном крыле

Руководитель Бойко Андрей Владиславович, Доктор 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 №80 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-104 - Движение объектов и аппаратов в различных средах

Ключевые слова ламинарно-турбулентное обтекание, пограничный слой, ламинарно-турбулентный переход, отрыв и присоединение пограничного слоя, гистерезис, неустойчивость течения, оптимальные возмущения, физический эксперимент, математическое моделирование

Код ГРНТИ30.17.27

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на разработку перспективных методов воздействия на течение в пограничном слое для задач аэродинамики на дозвуковых скоростях. Цель проекта - создание новых физически обоснованных методов управления для трехмерных пограничных слоев на телах со стреловидной передней кромкой. Задачи проекта - разработка и обоснование эффективных методов управления трехмерными пограничными слоями на ламинарном, переходном и турбулентном участках, проведение экспериментов по такому управлению и создание расчетных программ для прогноза ламинарно-турбулентного перехода (ЛТП) при наличии рассматриваемых управляющих воздействий. Тема актуальна в связи с высокой потребностью в специализированных методах управления трехмерными пограничными слоями и необходимостью разработки численных методов прогноза результатов такого управления и в связи с обнаружением новых особенностей ЛТП и крупномасштабной структуры турбулентности на стреловидных крыльях. Особенностью пограничных слоев на телах со стреловидной передней кромкой является недавно выявленное и подтвержденное в экспериментах в аэродинамической трубе Т-324 ИТПМ СО РАН существование стационарных продольных структур на турбулентном участке течения, напоминающих по масштабам и ориентации вихри неустойчивости поперечного течения (НПТ). Следует отметить, что природа этих структур ранее детально не исследовалась, хотя можно высказать предположение, что они имеют отношение к вихрям НПТ, поскольку оба вида стационарных структур имеют схожие поперечные масштабы. Представляется, что создание "затравок" с требуемыми характеристиками на этапе формирования в ламинарном течении вихрей НПТ позволит изменять такие свойства турбулентности в пограничных слоях как трение на стенке и теплообмен за счет изменения характеристик обнаруженных стационарных структур. Ранее такая проблема никем не ставилась. В рамках проекта планируется предложить и обосновать экспериментально и численно новые методы управления переходными и турбулентными пограничными слоями на телах со стреловидной передней кромкой. Это потребует решения следующих задач. 1. Разработка метода управления течением в пограничном слое с помощью структурированного рельефа обтекаемой поверхности. 2. Исследование стационарных продольных структур в турбулентном пограничном слое стреловидного крыла, физики их развития и перспективных способов их модификации. 3. Численное моделирование обтекания потоком стреловидного крыла со структурированным рельефом и развитие программ прогноза ЛТП при наличии рассматриваемых в проекте управляющих воздействий. Все перечисленные задачи направлены на разработку перспективных методов воздействия на течения в трехмерных пограничных слоях для задач аэродинамики. Их решения будут содержать существенную научную новизну и являться актуальными. Они позволят создать основу для новых специализированных методов управления течениями в трехмерных пограничных слоях на телах со стреловидной передней кромкой, характерными для аэродинамических приложений. Кроме того, предполагаемое развитие численных методов прогноза ЛТП при наличии такого управления позволит проводить моделирование ламинарно-турбулентного обтекания на качественно новом уровне. Предложенные и обоснованные новые методы управления трехмерными переходными и турбулентными пограничными слоями могут быть использованы в инженерных разработках, актуальных для коммерческих приложений.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Бойко А.В., Кириловский С.В., Поплавская Т.В. Ламинарно-турбулентный переход в пограничном слое стреловидного крыла при воздействии вдува/отсоса или рельефа поверхности XXXIX Сибирский теплофизический семинар. Тезисы докладов., С. 87 (год публикации - 2023)

2. Бойко А.В., Бородулин В.И., Иванов А.В., Мищенко Д.А. Положение перехода на стреловидном крыле при наличии на его поверхности элементов шероховатости XXXIX Сибирский теплофизический семинар. Тезисы докладов, с. 85-86 (год публикации - 2023)

3. Бойко А.В., Кириловский, С. В. Поплавская Т.В. Численное моделирование ламинарно-турбулентного обтекания стреловидного крыла при воздействии источников типа вдува или отсоса Теплофизика и аэромеханика (Thermophysics and Aeromechanics) (год публикации - 2024)

4. Бойко А.В., Бородулин В.И., Демьянко К.В., Иванов А.В., Кириловский С.В., Мищенко Д.А., Нечепуренко Ю.М., Поплавская Т.В. Прогнозирование перехода к турбулентности в трехмерных пограничных слоях XIII Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики, Санкт-Петербург, 21-25 августа 2023 года. Тезисы (год публикации - 2023)

5. Мищенко Д.А., Бойко А.В., Бородулин В.И., Иванов А.В., Кирилловский С.В., Поплавская Т.В. Совершенствование методов прогноза положения перехода к турбулентности в пограничном слое на скользящем крыле Издательство Московского университета, Москва, Всероссийская конференция молодых ученых-механиков YSM-2024. Тезисы докладов (4 − 14 сентября 2024 г., Сочи, «Буревестник» МГУ), С. 81 (год публикации - 2024)

6. Бойко А.В., Бородулин В.И., Иванов А.В., Кириловский С.В., Мищенко Д.А., Поплавская Т.В. Управление переходом к турбулентности в пограничном слое стреловидного крыла с помощью рельефа поверхности СО РАН, Математические проблемы механики сплошных сред: тез. докл. Всеросс. конф., посвящ. 105-летию со дня рождения академика РАН Л.В. Овсянникова. -Новосибирск: СО РАН. -С. 28. (год публикации - 2024)

7. Бойко А.В., Кириловский С.В., Поплавская Т.В. Numerical simulation of the flow at a swept wing with a surface relief Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Novosibirsk, International Conference on the Methods of Aerophysical Research, Novosibirsk, Russia, July, 1 – 5, 2024: Abstracts. Pt. I , P. 15-16 (год публикации - 2024)
10.53954/9785604990131_15

8. Черепанов А.Д., Бойко А.В., Бородулин В.И., Иванов А.В., Мищенко Д.А. Метод пассивного управления ламинарно-турбулентным переходом с помощью периодических элементов рельефа на поверхности стреловидного крыла ИПЦ НГУ, Новосибирск, Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии. XIII Всероссийская конференция молодых ученых 10–18 марта 2024 г. Новосибирск – Шерегеш. Тезисы докладов, С. 195-196 (год публикации - 2024)
10.25205/978-5-4437-1597-1-195-196

9. Бойко А.В., Демиденко Н.В. Stability of three-dimensional boundary layer with reversal of crossflow Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Novosibirsk, 22-St International Conference on the Methods of Aerophysical Research (ICMAR 2024), Part I. P. 13-14 (год публикации - 2024)
10.53954/9785604990131_13

10. Харюшина М.М., Бойко А.В. Автоматическая генерация регулярной сетки для расчета обтекания стреловидного крыла ИПЦ НГУ, Новосибирск, Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии. XIII Всероссийская конференция молодых ученых 10–18 марта 2024 г. Новосибирск – Шерегеш. Тезисы докладов, С. 191-192 (год публикации - 2024)
10.25205/978-5-4437-1597-1-191-92-105

11. Бойко А.В., Бородулин В.И, Иванов А.В., Мищенко Д.А., Черепанов А.Д. Детерминированные продольные структуры в турбулентном пограничном слое стреловидного крыла ВСЕРОССИЙСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ XL СИБИРСКИЙ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЙ СЕМИНАР, посвященный 110-летию со дня рождения С.С. Кутателадзе и 300-летию Российской академии наук 20–23 августа 2024 г. Новосибирск, Россия. ТЕЗИСЫ ДОКЛАДОВ, С. 116 (год публикации - 2024)

12. Бойко А.В., Кириловский С.В., Поплавская Т.В. Инженерное моделирование пространственно неоднородного перехода к турбулентности на стреловидном крыле Прикладная механика и техническая физика (год публикации - 2024)
10.15372/PMTF202415558

13. Бойко А.В., Кириловский С.В., Поплавская Т.В. Numerical Simulation of Swept-Wing Laminar–Turbulent Flow in the Presence of Two-Dimensional Surface Reliefs Fluids, Vol.9, No.4. -P. art. 95 (год публикации - 2024)
10.3390/fluids9040095

14. Бойко А.В., Демиденко Н.В. Расчет устойчивости течения в предотрывном пограничном слое стреловидного крыла ИПЦ НГУ, Новосибирск, Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии. XIII Всероссийская конференция молодых ученых 10–18 марта 2024 г. Новосибирск – Шерегеш. Тезисы докладов, С. 47-49 (год публикации - 2024)
10.25205/978-5-4437-1597-1-47-49

15. Иванов А.В. Стратегии управления ламинарно-турбулентным переходом на стреловидном крыле. Результаты и перспективы Проблемы механики теория эксперимент и новые технологии. Тез. докл. XVIII Всерос. конф. молодых ученых 10–18 марта 2024 г Новосибирск — Шерегеш / под ред Е И Крауса, С. 63-64 (год публикации - 2024)
10.25205/978-5-4437-1597-1-63-64

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1. В результате проведения экспериментов получены качественные и количественные данные о влиянии различных вариантов структурированного рельефа на крыле на положение перехода при доминировании вихрей неустойчивости поперечного течения: - найден новый эффективный способ управления переходом в пограничном слое стреловидного крыла с помощью элементов рельефа SSR-3D малой высоты, позволяющий с помощью изменения единственного управляющего параметра – угла наклона элементов рельефа, как стабилизировать, так и турбулизовать пограничный слой. В промежуточном положении влияние на переход отсутствует. Необходимо отметить, что указанный параметр является принципиально новым для задач управления переходом и не описывается традиционными параметрами шероховатости поверхности (спектральным составом, rms, Rz, и т.д); - структурированный рельеф в виде двумерных полос параллельных передней кромке (метод SSR-2D), более эффективен для ламинаризации рассматриваемого течения, чем рельеф из трехмерных элементов (SSR-3D) той же высоты, установленных под стабилизирующим углом; - показано, что первый из рассмотренных вариантов гибридной ламинаризации с применением элементов SSR-3D, ослабляющих поперечную компоненту скорости, но со специально подобранным расстоянием между ними для одновременной генерации вихрей "киллер-моды" (по методу DRE Сарика) также менее эффективен, чем базовый метод с помощью элементов SSR-2D, так как эффективной генерации управляющих вихрей "киллер-моды", ожидаемой в данной конфигурации элементов SSR-3D, не происходило; - второй предложенный вариант гибридной ламинаризации, заключающийся в применении метода DRE и метода SSR-2D (с помощью рельефа в виде полос параллельных передней кромке, расположенных ниже по потоку от DRE), показал самую высокую эффективность. В целом, во всех исследованных режимах результат ламинаризации по предложенному гибридному методу DRE + SSR-2D превосходил результат воздействия на переход этих методов по отдельности. Причем, в некоторых режимах было зафиксировано, что результирующее смещение перехода вниз по потоку превосходило прямую сумму эффектов от применения этих методов по отдельности. 2. Измерения профильного сопротивления подтвердили, что применение мер ламинаризации по методу SSR-2D понижает профильное сопротивление стреловидного крыла по сравнению с базовым случаем без рельефа. Таким образом, впервые экспериментально подтверждено, что ламинаризация с помощью структурированного рельефа поверхности по оригинальному методу SSR-2D не оказывает негативного влияния на профильное сопротивление крыла и может рассматриваться как эффективный инструмент для снижения потерь трения. Это также косвенно свидетельствует, что трение в постпереходном турбулентном пограничном слое не увеличивается из-за применения мер ламинаризации с помощью рельефа. Впервые экспериментально обоснована возможность влияния на структуру турбулентного постпереходного пограничного слоя на стреловидном крыле (т.е. управления) посредством структурированного рельефа поверхности крыла в районе передней кромки (сквозное управление). Получено, что поперечные масштабы вихрей поперечного течения, приводящих к переходу к турбулентности, и структур, наблюдаемых в турбулентном пограничном слое, тесно связаны. Таким образом, стационарные продольные структуры, существующие в ламинарной зоне пограничного слоя, не разрушаются в процессе перехода и их долгоживущий "след" продолжает существовать в турбулентном пограничном слое. При этом, по-видимому, может нарушаться равновесность турбулентного пограничного слоя, что может давать дополнительный вклад в снижение профильного сопротивления. Предложено возможное объяснение консервативности поперечных масштабов на основе теории оптимальных возмущений (т.е. "выжившие" турбулентные структуры интерпретируются как близкие к оптимальным), так как наиболее долгоживущие оптимальные возмущения имеют масштабы близкие к наблюдаемым в эксперименте. 3. Результаты показывают согласие расчетных и экспериментальных данных по задержке перехода методом структурированного рельефа поверхности SSR-2D. Показано, что наиболее эффективно использовать для задержки перехода рельефы SSR-2D, ориентированные параллельно передней кромке крыла, которые практически не изменяют толщину пограничного слоя, т.е. их установка сама по себе не может приводить к увеличению профильного сопротивления. Получено, что можно повысить эффективность управления не за счет увеличения количества элементов, а применением рельефа с растущей высотой пропорционально толщине пограничного слоя. 4. При использовании модельных профилей скорости из двухпараметрического семейства профилей, хорошо аппроксимирующих течение в области отрыва потока на рассматриваемом стреловидном крыле, впервые обнаружено существование трех областей неустойчивости. Было показано, что по крайней мере одна из этих областей соответствует возмущениям, которые качественно отличаются от известных вихрей поперечного течения и волн Толлмина-Шлихтинга и наблюдаются только при наличии двух перегибов в эффективных профилях скорости. Кроме того две области перекрываются, что важно учитывать при расчете N-факторов нарастания возмущений. 5. В рамках среды OpenFOAM разработаны - трехмерный код, реализующий решение линеаризованных уравнений Навье-Стокса; - новые линеаризованные граничные условия, позволяющие вводить трехмерные стационарные и нестационарные возмущения различных форм с обтекаемой потоком поверхности; - новые граничные условия, позволяющие создавать на входе пограничный слой Блазиуса. Сделаны рекомендации по выбору сеток для получения характеристик развития возмущений, в соответствии с локальной линейной теорией гидродинамической устойчивости.

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
1. С использованием объединения ANSYS Fluent и LOTRAN 3 выполнены параметрические расчеты ламинарно‑турбулентного обтекания стреловидного крыла с элементами SSR‑2D (sweeping surface relief) в виртуальной рабочей части трубы Т‑324. Рассматривались режимы: скорость набегающего потока U∞=30 м/с, угол атаки −5°, углы стреловидности xi=45° и 35°. Высота h элементов SSR‑2D (выступающих полос прямоугольного сечения, параллельных передней кромке) варьировалась от 0,16 до 0,52 мм, расположение — на 7%, 11% и 15 % хорды. Ключевые результаты: - определена оптимальная высота рельефа: h/δ=13% (где δ — толщина пограничного слоя); - установлен критерий устойчивости: при числе Рейнольдса шероховатости Rekk≤150 турбулентность за рельефом не возникает. Rekk=150 для h/δ=13%; - выявлена задержка начала ламинарно‑турбулентного перехода (ЛТП): -- один элемент SSR‑2D (h=0,16 мм на 11 % хорды) — 3%; -- один элемент (h/δ=13%, на 11 % хорды) — 5%; -- три элемента (h/δ=13%, на 7%, 11% и 15%) — 14%. - определено влияние угла стреловидности: при xi=35° ЛТП наступает позднее, чем при xi=45°. Эффективность SSR‑2D рельефа сохраняется при обоих углах. 2. Выполнен анализ вихревых возмущений в трехмерных отрывах. Для анализа устойчивости применен метод коллокаций на полиномах Чебышева. Исследованы: - зоны рециркуляции перед и за рельефом (спиральные потоки с направлением обратным направлению естественного поперечного течения); - зоны отрицательных значений напряжений сдвига WSSz и WSSx, указывающих на квазидвумерные отрывы; - пространственно‑временное развитие возмущений с S‑образными профилями поперечной скорости. Показано, что в области смены знака продольного градиента давления могут развиваться две моды неустойчивости конвективного характера. 3. В среде OpenFOAM реализован код для детального анализа линейных вихревых возмущений в трехмерных течениях. Ключевые возможности: - методы BoostConv и SFD для получения стационарного течения; - принудительное разделение на ламинарный и турбулентный участки через задание скалярного поля перемежаемости; - поддержка источников линейных возмущений на искривленных поверхностях (например, крыле); - выделение подобласти основного течения для экономии времени расчетов развития возмущений. Работоспособность кода проверена путем сравнения с результатами линейной теории и экспериментами в плоском канале, пограничном слое Блазиуса и отрывном течении за уступом поверхности. 4. Улучшены алгоритмы обработки ИК‑термограмм: - добавлено автоматическое выявление линий нарастания вихрей (линий эволюции перехода); - за счет анализа данных вдоль этих линий достигнута однозначность определения точек начала и завершения ЛТП. - исключено вынужденное применение пространственной фильтрации, приводящее к нефизичной форме линий перехода. Проведены эксперименты по управлению ЛТП с помощью структурированных рельефов. Экспериментально подтверждено: удлинение ламинарного участка при применении рельефов приводит к снижению профильного сопротивления. 5. Выполнена оценка эффективности предложенных методов управления: а) SSR‑2D демонстрирует робастность при вариации скорости потока, шероховатости и уровня турбулентности и угла стреловидности; б) SSR‑3D менее эффективен для ламинаризации, но позволяет эффективно регулировать турбулизацию только изменением угла наклона элементов. Показан патентоспособный метод эффективной турбулизации течения на стреловидном крыле; в) гибридный метод DRE + SSR‑2D показал максимальный и синергетический эффект ламинаризации: суммарное воздействие превосходит сумму отдельных вкладов. 6. В 2025 г. опубликовано 6 статей (включая одну в журнале Q1), сделаны доклады на профильных конференциях. Итоговые выводы: - показана эффективность использования SSR-2D-рельефа поверхности на стреловидном крыле как пассивного метода ламинаризации стреловидных крыльев за счет ослабления неустойчивости вихрей поперечного течения; - метод количественной термографии надежно определяет границы ЛТП и связь с профильным сопротивлением; - оптимальная высота элементов SSR‑2D: h/δ=13%; применение элементов SSR-2D-рельефа оптимальной высоты значительно повышает эффективность метода скользящего рельефа для увеличения зоны ламинарного течения на стреловидном крыле - эффективность SSR‑2D рельефа растет с увеличением угла стреловидности; - синергетический положительный эффект достигнут для комбинации элементов SSR‑2D и DRE; - впервые детально исследованы свойства устойчивости пограничных слоев с S-образными профилями скорости поперечного течения; - получена обширная уникальная по объему база экспериментальных данных по ламинарно-турбулентному обтеканию стреловидного крыла для различных вариантов элементов управляющего структурированного рельефа и различных условий его обтекания, дополненная данными численного моделирования.

Публикации

Возможность практического использования результатов
В результате выполнения проекта создана основа для новых методов управления течениями в трехмерных пограничных слоях на телах со стреловидной передней кромкой, характерными для аэродинамических приложений. Развиты численные методы прогноза ЛТП при наличии такого управления, что позволяет проводить моделирование ламинарно-турбулентного обтекания на качественно новом уровне. Таким образом практическая ценность проекта состоит в создании научных предпосылок и основы для: - сокращения потребления топлива путем уменьшения сопротивления крыльев летательных аппаратов. - повышении безопасности полетов и ресурса перспективной авиационной техники с ламинарным обтеканием за счет более точного прогнозирования условий появления турбулентности и предотвращения опасных ситуаций. Прикладное значение состоит в выработке рекомендаций и инструментов для профильных организаций по минимизации вязкого сопротивления, которые могут быть интегрированы в современные концепции проектирования авиационной техники, поддерживая высокие темпы технического прогресса в российском авиастроении и открывая перспективы международного партнерства и экспорта высокотехнологичных продуктов.