Дубень А.П., Козубская Т.К. «О моделировании акустики турбулентных струй на неструктурированных сетках» Вычислительный эксперимент в аэроакустике: Седьмая всероссийская конференция, г. Светлогорск Калининградской обл., 17–22 сентября 2018 г.: Сборник тезисов, с. 86-89 (2018)

Турбулентные струи являются часто встречающимися и принципиально значимыми объектами в авиационных приложениях. Точность математического моделирования определяет корректность расчёта аэродинамических и акустических характеристик всей конструкции в целом. В общем случае произвольной сложной конфигурации исследуемого об та удобно пользоваться неструктурированными сетками. Однако, как известно, численные алгоритмы, работающие на неструктурированных сетках, не всегда могут обеспечить требуемую точность моделирования особенно таких тонких и сложных явлений, какими являются, например, акустические характеристики турбулентных струй. Происходит это, главным образом, из-за высокой численной диссипации традиционных «неструктурированных» методов, реализованных в большинстве коммерческих пакетов. Методы же очень высокой точности (в частности, разрывный метод Галеркина, алгоритмы, основанные на полной полиномиальной реконструкции, спектральные методы и др.) на сегодняшний день являются чрезвычайно «дорогими» с вычислительной точки зрения и недостаточно виты для их широкого применения. Последнее особенно касается задач с разрывами. В данной работе для расчета акустики турбулентных струй мы применили алгоритм, основанный на экономной EBR схеме, чья повышенная точность на неструктурированных сетках достигается за счёт квазиодномерных реконструкций потоковых переменных на расширенных но-ориентированных шаблонах. Соответствующий «неструктурированный» метод реализован в исследовательском коде NOlSEtte ИПМ им. М.В. Келдыша РАН.

Гарбарук А.В., Стрелец М.Х., Шур М.Л., Дядькин А.А., Рыбак С.П. «Течения в следе за соплами ракетного блока аварийного спасения и определение пульсаций давления на поверхности возвращаемого аппарата при различных режимах полета» Вычислительный эксперимент в аэроакустике: Шестая всероссийская конференция, г. Светлогорск Калининградской обл., 19–24 сентября 2016 г.: Сборник тезисов, с. 95-99 (2016)

Одной из многих сложных задач проектирования ракетных пилотируемых комплексов является определение аэроакустических воздействий на обитаемый модуль (возвращаемый аппарат – ВА) при выведении пилотируемого транспортного корабля (ПТК). Эти воздействия обусловлены взаимодействием с поверхностью ВА турбулентного следа за соплами ракетного блока аварийного спасения (РБАС), составляющего вместе с ВА отделяемый головной блок (ОГБ). Для численного решения згой задачи необходимо использование так называющих вихреразрешающих подходов к описанию турбулентности, поскольку традиционные полуэмпирические модели турбулентности для осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье–Стокса (RANS) не позволяют получить какой-либо информации об амплитудных и. тем более, спектральных характеристиках пульсаций давления. Наиболее перспективными из этих подходов являются так называемые гибридные методы, сочетающие в себе сильные стороны RANS моделей с высокой точностью и информативностью метода моделирования крупных вихрей (LES). Однако при решении практических задач (сложная геометрия течения, высокие числа Рейнольдса) даже гибридные методы требуют огромных вычислительных затрат. В связи с этим в данной работе для решения сформулированной выше задачи предлагается специализированная вычислительная процедура, базирующая на использовании RANS и LES в различных областях потока и позволяющая решить эту задачу при вполне приемлемых по сегодняшним меркам вычислительных затратах.

Даньков Б.Н., Дубень А.П., Жданова Н.С., Козубская Т.К. «Численное моделирование турбулентного течения возле каверны для фундаментальных и прикладных исследований» Вычислительный эксперимент в аэроакустике: Шестая всероссийская конференция, г. Светлогорск Калининградской обл., 19–24 сентября 2016 г.: Сборник тезисов, с. 124-127 (2016)

Прямым следствием постепенного развития вычислительной техники. математических моделей и численных методов является появление возможности использовать вычислительный эксперимент для решения как фундаментальных, так и прикладных задач, стоящих перед авиационной промышленностью. При этом наиболее широким потенциалом при моделировании турбулентных течений и создаваемых ими акустических полей обладают вихреразрешающие подходы (DNS, LES и гибридные RANS-LES подходы). Помимо того, что они гарантируют достаточно высокую точность моделирования, их использование позволяет получать нестационарные характеристики (например, турбулентные или акустические пульсации), важные для понимания физики течения и анализа создаваемых им возмущений. Для этого широкие возможности предоставляют методы спектрального и корреляционного анализа. В отличие от натурных экспериментов, численное моделирование, в принципе, нс имеет ограничений по пространственному и временному разрешению выдачи нестационарных характеристик, что, безусловно, является его неоспоримым преимуществом. Использование неструктурированных сеток, способных описывать сложные геометрические конфигурации, и современных вычислительных технологий (например, метода погруженных граничных условий) предоставляет возможность решать также и прикладные задачи, стоящие перед авиационной промышленностью. Принципиальным требованием, обеспечивающим как корректное решение прикладных задач, так и достоверный результат фундаментальных исследований, является тщательная валидация вычислительного алгоритма и реализующего его программного комплекса. Такая валидация проводился на наиболее близких к решаемым задачам тестовых случаях, для которых имеются надёжные экспериментальные данные. Это требование становится особенно критичным, если речь идет о сложных турбулентных течениях, моделируемых с использованием вихреразрешающих подходов. В работе рассматривается класс задач, связанных с трансзвуковым турбулентным течением возле каверны. В качестве инструмента для проведения численных экспериментов используется программный комплекс NOISEtte для решения задач аэродинамики на неструктурированных сетках.

Сурначёв М.Д. «О единственности решений задачи о стационарной диффузии в несжимаемом турбулентном потоке» Вычислительный эксперимент в аэроакустике: Шестая всероссийская конференция, г. Светлогорск Калининградской обл., 19–24 сентября 2016 г.: Сборник тезисов, с. 221-223 (2016)

Александров А.В., Дородницын Л.В., Дубень А.П. «Генерация трехмерных синтетических турбулентных полей на основе рандомизированного спектрального метода» Вычислительный эксперимент в аэроакустике: Седьмая всероссийская конференция, г. Светлогорск Калининградской обл., 17–22 сентября 2018 г.: Сборник тезисов, с. 25-27 (2018)

В современных задачах вычислительной аэроакустики, связанных с турбулентными течениями, часто возникает необходимость использования искусственно сгенерированных турбулентных полей скорости. В частности. такие поля используют для постановки нестационарных входных условий на границе LES зоны, когда необходимо задать нестационарный по природе турбулентный поток. Использование искусственно сгенерированных турбулентных полей представляется наиболее перспективным способом постановки таких условий. Принято считать . что синтетическое турбулентное поле должно обладать статистическими свойствами близкими к тем, которые известны о реальном физическом турбулентном поле. В частности, должны совпадать одноточечные моменты первого, второго и третьего порядков, двухточечные моменты второго порядка. Среди подходов к генерации искусственных турбулентных полей наибольшее развитие получил спектральный метод (СМ), предложенный в , и получивший развитие в ряде работ. В рамках этого метода поле строится на основе суммы косинусоидальных и/или синусоидальных мод, амплитуды которых определяются на основе энергетического спектра турбулентности. Хотя стохастический выбор параметров метода лучше соответствует природе турбулентности и. тем самым, в силу приведенного выше критерия соответствия искусственно сгенерированного поля физическому, кажется более предпочтительным, наибольшее распространение получил метод с детерминированным или полудетерминированным выбором параметров. В настоящей работе авторы развивают полностью стохастический метод генерации однородных изотропных турбулентных полей скорости, предложенный в для двумерного случая, основанный на рандомизированном спектральном методе (РСМ). Свойства описанного РСМ генератора исследовались на примере искусственно сгенерированного однородного изотропного турбулентного поля в кубе с безразмерной стороной 2π.

Копьев В.Ф., Храмцов И.В. «О расчетно-экспериментальном исследовании турбулентного вихревого кольца» Вычислительный эксперимент в аэроакустике: Седьмая всероссийская конференция, г. Светлогорск Калининградской обл., 17–22 сентября 2018 г.: Сборник тезисов, с. 107 (2018)

В дозвуковых турбулентных струях, представляющих собой один из основных источников шума современных авиационных силовых установок. шум генерируется турбулентными вихрями. Поскольку в турбулентных струях присутствуют вихри различных масштабов, взаимодействующие друг с другом, картина излучения, оказывается очень сложной. Поэтому важной представляется возможность исследования фундаментальных вопросов излучения звука турбулентными потоками на примере отдельного изолированного вихря. Для исследования аэроакустических характеристик данного вихря в Лаборатории механизмов генерации шума и модального анализа был создан генератор вихревых колец. Проведен совместный эксперимент по регистрации движения поршня генератора вихревых колец, перемещения кольца и излучения шума единичным вихрем. Полученный в результате данного эксперимента закон движения поршня использовался в численном моделировании с целью повышения соответствия расчетной модели эксперименту. Перемещение вихревого кольца, полученное в расчете, на начальном участке траектории совпадает с перемещением в эксперименте. С помощью расчета получены размеры данного вихря, которые затем использовались в автомодельных теориях для оценки свойств вихревого кольца на большом удалении от среза сопла, где кольцо излучает шум. В результате проведена оценка собственной частоты излучения шума свободно летящим турбулентным вихревым кольцом. Полученные значения собственной частоты хорошо совпадают с экспериментальными значениями на большом участке траектории. Полученные в данной работе результаты подтверждают механизм излучения шума вихревого кольца, представляющий собой колебания тонкого ядра.

Копьев В.Ф., Фараносов Г.А., Чернышев С.А., Бычков О.П. «О возможности активного управления волнами неустойчивости в невозбужденных турбулентных струях» Вычислительный эксперимент в аэроакустике: Седьмая всероссийская конференция, г. Светлогорск Калининградской обл., 17–22 сентября 2018 г.: Сборник тезисов, с. 206 (2018)

Разработана стратегия активного управления естественными волнами неустойчивости в турбулентных дозвуковых струях. За основу взят подход, отработанный ранее на тонально возбужденных струях, в рамках которого была продемонстрирована возможность управления искусственно возбужденными волнами неустойчивости путем линейной настройки возбуждения и управляющего воздействия. Проведенный анализ предыдущих результатов по управлению возбужденной струей показал, что подход, в котором волны неустойчивости создаются с помощью воздействия вблизи кромки сопла, наиболее эффективен с точки зрения и потребной амплитуды воздействия, и реализации линейного взаимодействия волн в струе. Исследованы особенности такого управления в широкой полосе частот и предложен способ достижения интегрального снижения уровня сигнала. На реально измеренных случайных сигналах продемонстрирована принципиальная реализуемость предложенной стратегии управления волнами неустойчивости в невозбужденной струе и определены характерные ограничения, которые необходимо учитывать при ее реализации в эксперименте.

Кочетков Ю.М. «Вихри Тейлора–Гёртлера» Двигатель, № 3, с. 24-27 (2014)

Получены новые экспериментальные обобщения по течениям с вихрями Тейлора–Гёртлера. Объяснён механизм образования вихрей Тейлора–Гёртлера как возникновение бифуркации при ударе потока о стенку. На базе экспериментальных и теоретических заключений получены количественные соотношения для параметров течения Тейлора–Гёртлера.

Кочетков Ю.М. «Торсионные жгуты» Двигатель, № 4, с. 22-24 (2014)

Установлен новый газодинамический эффект, заключающийся в экспериментальном получении торсионных жгутов. Дано объяснение появления торсионных жгутов как результата деформации вихрей Тейлора–Гёртлера при переходе течения в безградиентное

Кочетков Ю.М. «Турбулентность Бенара» Двигатель, № 5, с. 32-34 (2014)

Проанализирован принцип самоорганизации устойчивых гидродинамических структур. Изложен механизм самоорганизации вихрей Бенара. Показана возможность существования устойчивых непрерывных и дискретных турбулентных образований.

Кочетков Ю.М. «Турбулентность и математическое доказательство её невозможности в сверхзвуковом потоке» Двигатель, № 3, с. 12-15 (2018)

Получены новые уравнения для описания турбулентного процесса в двигателях летательных аппаратов (ЖРД, РДТТ и др.). Отмечены области появления турбулентности в дозвуковом и сверхзвуковом потоках. Доказана теорема о невозможности существования турбулентности в сверхзвуковых потоках. Показано, что в сверхзвуковом сопле могут образовываться дозвуковые зоны, где турбулентность возможна (пристеночные отрывные течения, ударные волны и др.).

Бекетаева А.О. «Исследование структуры взаимодействия поперечой струи со сверхзвуковым потоком» Наука, новые технологии и инновации, № 6, с. 3-11 (2015)

На основе осредненных по Фавру уравнений Навье–Стокса, замкнутых моделью турбулентности моделируется трехмерное сверхзвуковое течение с симметричным перпендикулярным вдувом круглых струй со стенок канала. Решение исходных уравнений, осуществляется с помощью алгоритма, построенного на основе ENO-схемы. Изучен механизм возникновения вихревых структур при взаимодействии струи с набегающим потоком. Выявлено, что с увеличением параметра нерасчетности помимо известных пяти вихрей, формируются дополнительные вихри. Получено удовлетворительное согласие полученного избыточного давления перед струей с экспериментальными данными.

Чернышев С.Л. «О распространении волны звукового удара в турбулентной среде» Ученые записки Центрального аэрогидродинамического института им. проф. Н. Е. Жуковского (ЦАГИ), 49, № 4, с. 52-61 (2018)

Рассмотрено современное состояние исследований по проблеме влияния атмосферной турбулентности на звуковой удар. Предложен метод моделирования влияния атмосферного турбулентного пограничного слоя на распространение ударной волны, основанный на уравнениях геометрической акустики и стохастической модели однородной изотропной турбулентности. Возможности метода продемонстрированы на примере решения модельной задачи распространения плоской N-образной волны в стохастическом поле пульсаций температуры или скорости.

Шарфарец Б.П., Дмитриев С.П. «Моделирование турбулентного движения жидкости на основе гипотезы Буссинеска. Обзор» Научное приборостроение, 28, № 3, с. 101-108 (2018)

Рассмотрено математическое моделирование турбулентного течения в сжимаемой и несжимаемой вязкой жидкости на примере простейшей модели турбулентного движения, полученной в результате осреднения уравнений Навье–Стокса по Рейнольдсу и Фавру совместно с гипотезой Буссинеска о наличии турбулентной вязкости. Приведены алгоритмы осреднения уравнений Навье–Стокса для сжимаемой и несжимаемой жидкости. Приведены соответствующие уравнения для осредненных и пульсационных составляющих параметров полей для несжимаемой и сжимаемой жидкости. Полученные результаты полезны при проектировании излучателя для его работы в турбулентном режиме движения жидкости.

Крашенинников С.Ю., Миронов А.К. «Теория Лайтхилла и результаты исследования шумообразования в турбулентных струях» Вычислительный эксперимент в аэроакустике: Седьмая всероссийская конференция, г. Светлогорск Калининградской обл., 17–22 сентября 2018 г.: Сборник тезисов, с. 109-114 (2018)

Основные положения теории Лайтхилла, касаются процесса шумообразования при распространении дозвуковой турбулентной струи в неподвижной среде того же состава. что и вещество струн. Примером определения связи акустических пульсаций в звуковом поле струи с гидродинамическими является акустическая аналогия Лайтхилла. Система уравнений Навье–Стокса преобразуется таким образом, что для пульсаций плотности в акустическом поле получается волновое уравнение

Грязев В.М., Карабасов С.А. «О влиянии температуры на положение эффективных источников шума в турбулентной струе» Вычислительный эксперимент в аэроакустике: Седьмая всероссийская конференция, г. Светлогорск Калининградской обл., 17–22 сентября 2018 г.: Сборник тезисов, с. 184-188 (2018)

В настоящей работе проводится исследование влияния температуры на положение эффективных источников шума в горячей турбулентной струе на основе акустической аналогии Голдстейна. Еще со времен Лайтхилла акустические аналогии зарекомендовали себя как один из важных инструментов для анализа источников звука, порождаемых турбулентностью.