Пирожков М.В., Скиба С.П., Евсевьев В.В., Драган С.П. «Рекомендации по совершенствованию измерения воздушной ударной волны и акустических импульсов при взрыве» Защита от повышенного шума и вибрации: Сборник докладов VII Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, 19–21 марта 2019 г., СПб, с. 577-588 (2019)

Объектом исследования являются параметры акустических импульсов и воздушной ударной волны, образующиеся при детонации взрывчатых веществ и испытании специальных средств. При детонации взрывчатых веществ, в ближнем поле взрыва формируется воздушная ударная волна, спутный поток, высокотемпературное поле и яркая вспышка. Таким образом, на средство измерения действуют разные фактора, которые, при не правильном выборе датчиков и не корректной их установке могут привести к большой погрешности измерений. По мере удаления от эпицентра взрыва происходит асимптотическая трансформация ударной волны в акустический импульс, который по своим параметрам соответствует критериям импульсного шума. В настоящее время нет общепризнанных гигиенических нормативов, регламентирующих нагрузку высокоинтенсивного импульсного акустического воздействия. Даны рекомендации по измерению параметров акустического импульса, образующихся при взрывах, и по средствам измерения. Известные формулы для перепада избыточного давления во фронте ударной волны дают погрешность не выше 10% даже для идеального случая воздушного взрыва. Однако при обратной экспертной оценке величины, выделившейся энергии по перепаду давления, погрешность может приближаться к 100%. Данное обстоятельство затрудняет обеспечение безопасных условий для персонала, проводящего испытания специальной техники, так как не позволяет с приемлемой погрешностью оценить критические уровни вредного фактора. Проводится анализ зарубежных и отечественных установок для градуировки преобразователей избыточного давления воздушных ударных волн. Для обеспечения необходимой точности градуировки преобразователей давления в воздушных ударных волнах при испытаниях боеприпасов следует пользоваться предпочтительно лабораторными градуировочными средствами. Даны рекомендации по использованию отечественных средств градуировки для лабораторных и полигонных испытаний.

Чень Болунь, Яковлев А.А., Мошков П.А. «О проблеме шума на местности современных пассажирских самолетов» Защита от повышенного шума и вибрации: Сборник докладов VII Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, 19–21 марта 2019 г., СПб, с. 787-793 (2019)

Проектирование современных гражданских самолетов невозможно без учета требований к предельно допустимым уровням по шуму в салоне и на местности. Компоновка силовой установки оказывает существенное влияние на соотношение интенсивности излучения основных источников, как в салоне самолета, так и на местности. Существенные успехи в области снижения шума двигателей определили новые для авиационной акустики направления исследований – это шум обтекания элементов планера, шум, обусловленный аэродинамической интерференцией (например, струя закрылок), а также акустические эффекты в реальных компоновках (рефракция, дифракция). В данной работе рассмотрены основные источники шума самолетов на местности для классической компоновки (двигатели на пилонах под крылом). Представлена структура программного комплекса Аэрошум (ЦАГИ), предназначенного для оценки шума самолетов на местности. На основании доступных публикаций показано влияние компоновки силовой установки на уровни шума самолета на местности, при этом существенного снижения уровней шума на местности можно достигнуть за счет интегральной аэродинамической компоновки типа «летающее крыло». Рассмотрены основные методы снижения шума вентилятора авиадвигателя.

Руденко О.В. «Об излучении звука движущимися объектами» Труды Центрального аэрогидродинамического института им. проф. Н. Е. Жуковского (ЦАГИ), № 2807, с. 12 (2021)

Известно, что заряженные частицы могут излучать электромагнитные волны, если они движутся с ускорением. Однако и при равномерном движении в среде может возникнуть «второй» вид излучения – Вавилова–Черенкова. Для этого частица должна двигаться со сверхсветовой скоростью, большей фазовой скорости света в среде. «Третий» вид (переходное излучение) возникает при пересечении зарядом границы раздела двух сред с разными показателями преломления. Когда частица переходит из одной среды в другую, окружающее ее поле изменяется, порождая волну. Это излучение было теоретически предсказано В.Л. Гинзбургом и И.М. Франком в 1945 г. Нобелевская премия присуждена В.Л. Гинзбургу в 2003 г. «За основополагающий вклад в теорию сверхпроводников и сверхтекучих жидкостей», однако сам Гинзбург считал своим основным достижением именно открытие переходного излучения. Акустическим аналогом «второго» типа излучения (Вавилова–Черенкова) являются «волны Маха», возбуждаемые телом, движущимся в атмосфере со сверхзвуковой скоростью. Эти волны предсказаны и теоретически изучены в середине 19 века К. Доплером за 40 лет до их экспериментальной визуализации Э. Махом и за 100 лет до наблюдения соответствующего оптического эффекта. В отличие от оптики, где эффект был слаб и был обнаружен во многом благодаря хорошему зрению П. Черенкова, его акустический аналог весьма силен и чувствительных приборов для регистрации не требует. Достаточно сослаться на волну звукового удара, возникающую при движении самолета на сверхзвуковых скоростях. Создание современных сверхзвуковых пассажирских самолетов тормозится именно серьезными экологическими последствиями звукового удара, а полеты на малых высотах могут вообще привести к летальному воздействию на организмы. Переходное излучение в акустике изучено в меньшей степени и обсуждается много реже, чем в оптике. Однако акустический эффект и в этом случае гораздо сильнее оптического. Его наблюдал (слышал) каждый пассажир поезда, движущегося по мосту с периодически расположенными фермами, или при поездке в автомобиле мимо череды колонн или других конструкций, создающих сильные неоднородности границ. Более слабое переходное излучение сопровождает движение судов на воздушной подушке или экранопланов над неровной поверхностью воды. Обсуждаются физические особенности излучения акустических волн равномерно движущимися объектами в сравнении с аналогичными явлениями в оптике.

Родионов А.В. «О точности решения за фронтом ударной волны при использовании методов сквозного счета» Труды Центрального аэрогидродинамического института им. проф. Н. Е. Жуковского (ЦАГИ), № 2807, с. 146-147 (2021)

В аэрогазодинамических задачах, решаемых в рамках уравнений Эйлера, ударная волна трактуется как поверхность разрыва, на которой выполняются соотношения Ренкина–Гюгонио. Эти соотношения представляют собой законы сохранения массы, импульса и энергии; они связывают параметры течения перед ударной волной с параметрами течения за ней. Методы (или схемы) сквозного счета размывают поверхности разрыва на некотором количестве ячеек сетки. Таким образом, в приближенном численном решении фронт ударной волны трансформируется в ударный слой шириной в несколько сеточных интервалов. Хотя соотношения Ренкина–Гюгонио в таких расчетах явно не используются, но можно говорить об их интегральной аппроксимации, поскольку решаемые конечно-разностные, или конечно-объемные уравнения имеют вид законов сохранения. В методах сквозного счета ударная волна размывается за счет численной вязкости (схемной диссипации), которая в некотором смысле имитирует действие физической вязкости. Обладая функциональным сходством, численная и физическая вязкости имеют принципиальные различия. Так, в случае учета физической вязкости внутри размытого скачка аппроксимируются уравнения движения вязкого газа. С измельчением сетки разрешение ударного слоя улучшается, и численное решение стремится к точному решению уравнений Навье–Стокса. В случае с численной вязкостью измельчение сетки не приводит к лучшему (более гладкому) разрешению ударного слоя, так как его ширина пропорционально уменьшается. Поэтому здесь возникает принципиальный вопрос: будет ли численное решение с измельчением сетки стремиться к точному решению уравнений Эйлера, дополненных соотношениями Ренкина–Гюгонио на фронте ударной волны? И если да, то каков будет темп сходимости? Известны работы, в которых на численных примерах показывается, что методы сквозного счета, обладающие повышенным порядком аппроксимации на гладких решениях, в гладкой части обобщенного решения за фронтом ударной волны демонстрируют лишь порядок сходимости, близкий к первому. В тоже время практически отсутствуют публикации, в которых бы проводилось системное изучение данного вопроса, включающее в себя анализ всех основных факторов, влияющих на точность решения за фронтом ударной волны. Сообщается, что данной работой автор, хотя бы частично, восполняет этот пробел и отвечает на поставленные вопросы.

Попов В.Л., Попова Н.П. «Последствия бароакустических воздействий на человека при взрыве» Защита от повышенного шума и вибрации: Сборник докладов VII Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, 19–21 марта 2019 г., СПб, с. 589-593 (2019)

Приведены некоторые современные судебно-медицинские и криминалистические представления о поражающем воздействии на орган слуха ударной и звуковой волн, образующих при взрыве. Изложены результаты опытов на крупных и малых животных, а также обобщенная практика поражения органа слуха человека ударной и звуковой волнами.

Кириллова И.В., Коссович Л.Ю «Асимптотическая теория волновых процессов в оболочках вращения при ударных поверхностных и торцевых нормальных воздействиях» Известия Российской академии наук. Механика твердого тела, № 2, с. 35-49 (2022)

Обобщаются работы авторов по математическому моделированию нестационарного напряженно-деформированного состояния (НДС) оболочек при ударных воздействиях на их лицевые поверхности и на торцы. Математическое моделирование основывается на использовании асимптотического метода построения приближенных теорий для составляющих в разных областях фазовой плоскости решения, где имеют место принципиально разные его свойства и наблюдаются разные значения показателей изменяемости и динамичности. Выделены области, в которых работают двумерная изгибная составляющая теории Кирхгофа–Лява, квазиплоская задача теории упругости, гиперболический погранслой в окрестности волны сдвига и эллиптический погранслой в окрестности условного фронта поверхностных волн Рэлея. Приведен вывод асимптотически оптимальных уравнений эллиптического погранслоя, имеющего место как в случае касательных ударных поверхностных воздействий, так и в случае ударных торцевых воздействий нормального типа. При этом в случае торцевого воздействия задача для полубесконечной оболочки сводится с помощью выделения частного решения к эквивалентной задаче для оболочки бесконечной. В качестве примера построены решения для эллиптического погранслоя в цилиндрических оболочках для обоих случаев нагрузки. Использованы интегральные преобразования Лапласа по времени и Фурье по продольной координате. Обращение интегральных преобразований дало возможность представить решения с помощью элементарной функции arctg от сложных аргументов. Анализ этих решений в малой окрестности квазифронта (условного фронта поверхностных волн Рэлея) позволил определить их свойства при удалении от квазифронта по продольной координате.

Корунов А.О., Горбовский В.С., Кажан А.В. «Параметрическое исследование влияния параметров атмосферы на громкость звукового удара» Труды Центрального аэрогидродинамического института им. проф. Н. Е. Жуковского (ЦАГИ), № 2807, с. 29 (2021)

Особенностью проектирования аэродинамической компоновки перспективного СГС является необходимость учитывать уровень создаваемого при полете на сверхзвуковой скорости звукового удара. Ударные волны, достигнув поверхности земли, характеризуются скачкообразным ростом давления в эпюре избыточного давления и негативным образом влияют на человека и окружающую среду. Ввиду отсутствия экспериментальных данных по распространению ударных волн малой интенсивности в реальной атмосфере от самолетов, реализующих технологии снижения звукового удара, и невозможности проведения трубных экспериментальных исследований в дальнем поле, оценка характеристик звукового удара выполняется численно с использованием методов нелинейной акустики. При этом важную роль играет учет свойств реальной атмосферы (температура, влажность, ветер), которые влияют на абсорбцию и дисперсию звуковой волны в атмосфере. В ФГУП «ЦАГИ» разрабатывается программный комплекс «vBOOM» по расчету траекторий распространения звуковых волн в атмосфере до земли и определению затухания избыточного давления. В данной работе приведены результаты параметрических исследований влияния характеристик атмосферы на форму эпюры избыточного давления и громкость волны звукового удара на земле в различных метриках. Выполнено сравнение результатов расчёта громкости звукового удара в различных метриках с результатами AIAA Sonic Boom Prediction Workshop в различных атмосферах (ISO, SBPW). Показано изменение громкости звукового удара тестового летательного аппарата в зависимости от географического положения траектории полета и времени года.

Медведский А.Л., Мартиросов М.И., Хомченко А.В. «Взрывное воздействие на подкреплённую цилиндрическую оболочку из полимерного композита с внутренними дефектами» Труды Центрального аэрогидродинамического института им. проф. Н. Е. Жуковского (ЦАГИ), № 2807, с. 127-128 (2021)

Повышенные требования к новым образцам техники в различных областях машиностроения приводят к необходимости использования современных конструкционных материалов, которые по своим характеристикам должны превосходить традиционные металлические материалы. Использование полимерных композиционных материалов (ПКМ) при создании элементов конструкций получило широкое распространение. При всех преимуществах, изделия из ПКМ чувствительны к внутренним дефектам, которые могут появляться на различных этапах производства и эксплуатации. В работе изложены общие принципы моделирования слоистых конструкций с учётом внутренних дефектов между слоями с использованием программных комплексов (LS-DYNA, Siemens Femap) на основе метода конечных элементов на примере подкреплённой круговой цилиндрической оболочки из ПКМ длиной 800 мм и радиусом 200 мм.

Васин С.С., Горбовской В.С., Кажан А.В., Кузин С.А., Чернышев С.Л. «Оценка звукового удара с позиции акустического воздействия на окружающую среду» Труды Центрального аэрогидродинамического института им. проф. Н. Е. Жуковского (ЦАГИ), № 2807, с. 136-137 (2021)

Выполнен анализ современных подходов к определению уровня «приемлемости» звукового удара человеком и представлены используемые в ЦАГИ алгоритмы расчета громкости звукового удара в различных метриках. Показано влияние формы эпюры избыточного давления, определяемой как аэродинамической компоновкой и режимом полета самолета, так и характеристиками реальной атмосферы, на громкость звукового удара в различных метриках. На примере материалов AIAA Sonic Boom Prediction Workshop выполнен анализ значений суммарного уровня, а также громкости головного и замыкающего фронтов звукового удара для компоновки NASA X-59 QueSST.

Беляев И.В., Макашов С.Ю. «Измерения прохождения звукового удара через стены здания и построение полуэмпирической модели оценки соответствия вибрации внутри помещения экологическим нормам» Труды Центрального аэрогидродинамического института им. проф. Н. Е. Жуковского (ЦАГИ), № 2807, с. 137 (2021)

Вибрации зданий и сооружений, создаваемые звуковым ударом, могут заметно влиять на его восприятие людьми и, как следствие, должны учитываться при формулировании норм для звукового удара перспективных сверхзвуковых пассажирских самолетов. Однако экспериментальные данные по уровням вибраций, создаваемых в зданиях звуковыми ударами, довольно ограничены. Для получения таких экспериментальных данных были проведены летные испытания на аэродроме «Третьяково» (г. Луховицы, Московская область), включающие измерения вибрации пола, вызванные звуковым ударом, вибрации всего здания в целом и измерения потерь при передаче звука от наружного шума внутрь. Измерения проводились в одном и том же трехэтажном кирпичном здании диспетчерского пункта аэродрома, в помещении на третьем этаже. Измерялись уровни звука снаружи здания и внутри помещения, а также вибрации стен, окон и пола, для звуковых ударов различной громкости. На основе полученных экспериментальных данных и имеющихся в литературе результатов других измерений была построена модель оценки уровня звукового удара и уровня вибраций внутри помещения в зависимости от уровня падающего звукового удара. Построенная полуэмпирическая модель используется для оценки соответствия вибраций, создаваемых внутри помещения, экологическим нормам. Проведен анализ полученных функций потерь при передаче звукового удара внутри здания, которые могут использоваться при выработке перспективных норм по звуковому удару.

Гусева Т.С. «Ударное воздействие струи жидкости на смоченную стенку» Ученые записки Казанского государственного университета. Серия Физико-математические науки, 163, № 2, с. 117-127 (2021)

Приведены результаты численного исследования высокоскоростного удара струи жидкости по неподвижной жесткой стенке, покрытой слоем идентичной жидкости, в зависимости от скорости удара и толщины слоя. Численное моделирование осуществлялось с применением метода CIP-CUP на динамически адаптивной сетке без явного выделения межфазной границы. Выполнено сравнение случаев слоя с очень малой и сравнительно большой толщиной. Более подробно рассмотрено влияние скорости струи на распределение нагрузки на стенке, а также на изменение максимального и осредненного давлений на стенке в процессе удара в зависимости от толщины слоя.

Валиев Х.Ф., Крайко А.Н., Пьянков К.С., Тилляева Н.И. «О роли численных и аналитических «инструментов» при описании «звукового удара»» Труды Центрального аэрогидродинамического института им. проф. Н. Е. Жуковского (ЦАГИ), № 2807, с. 193 (2021)

Рассматриваются возможности численных и аналитических инструментов описания звукового удара – следствия сверхзвуковой скорости летательных аппаратов. Несмотря на стремительный рост быстродействия и памяти компьютеров и прогресс вычислительной газовой динамики, возможности численного решения уравнений течения ограничены расчетом структур, возмущения параметров в которых не очень малы (больше 10^–2–10^–3 их значений в невозмущенном потоке). В результате при изучении звукового удара численный расчет обтекания летательных аппаратов ограничен расстояниями в несколько их длин при удалении земной поверхности на сотни таких длин. На бoльших расстояниях используется численно-аналитический аппарат со сложными формулами – решениями линеаризованных уравнений Эйлера и главными нелинейными поправками к ним. Важный результат таких расчетов – осесимметричная асимптотика, согласно которой вдали от летательного аппарата структуры, примыкающие к головной ударной волне, затухают, как осесимметричные, свои на разных меридиональных плоскостях. В докладе с учётом опыта расчетов ударно-волновых структур перед сверхзвуковыми решетками показана возможность быстрого и точного расчета ударно-волновых структур звукового удара при численном решении уравнений Эйлера без ограничений на расстояния и малую интенсивность затухающих ударных волн. Ключевую роль при этом играет адаптация разностной сетки к особенностям ударно-волновой структуры звукового удара. В известных авторам программах расчета звукового удара в приближении уравнений невязкого газа в лучшем случае удается обнаружить лишь движение в требуемом направлении. Правильно адаптированных сеток нет нигде. Наконец, расчет эволюции структуры звукового удара в осесимметричном приближении с удаления в 15–20 длин летательного аппарата до земной поверхности сведен к мгновенному (доли секунды на персональном компьютере) решению задачи Коши для обыкновенных дифференциальных уравнений.

Садин Д.В. «Численное и аналитическое исследование разлета газовзвеси в закрытой ударной трубе» Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Физико-математические науки, 14, № 4, с. 40-49 (2021)

Поставлена и решена задача разлета смеси идеального газа и несжимаемых сферических монодисперсных частиц в закрытой ударной трубе. Получено асимптотически точное решение начальной (автомодельной) стадии разлета газовзвеси с мелкодисперсной фракцией. Для неравновесного случая частиц бoльшего размера задача решена численно гибридным методом крупных частиц второго порядка аппроксимации по пространству и времени. Выявлены двухскоростные эффекты расслоения течения и границы раздела сред на контакт в газовой фазе и скачок пористости, а также взаимодействия с ними отраженной ударной волны. Для поздней стадии разлета установлено, что динамика слоя газовзвеси подобна нелинейной колебательной диссипативной системе с затуханием и дрейфом расщепленных контактных границ, зависящих от размеров дисперсных включений.