Анкудинов А.Л. «Гиперзвуковое неравновесное обтекание острой кромки» Прикладная математика и механика, 87, № 1, с. 26-35 (2023)

Сформулирована регуляризованная задача для описания течения молекулярного газа в гиперзвуковом макрокинетическом неравновесном тонком вязком ударном слое (кинетическом ТВУС) вблизи острой кромки. Показано, что решение регуляризованной задачи кинетического ТВУС на острой кромке в части описания трения и теплообмена совпадает с решением аналога этой ТВУС-задачи в модели Навье–Стокса. Показано, что в кинетическом ТВУС напряжение трения и нормальный тепловой поток на стенке в окрестности острой кромки идентичны с соответствующими величинами в ТВУС для модели Навье–Стокса. Указано на подобие течений около острой кромки в кинетическом варианте ТВУС модели Навье–Стокса. Указан способ построения решения задачи кинетического ТВУС для окрестности острой кромки на основе ТВУС-решения в рамках модели Навье–Стокса. Получена формула для вычисления давления на поверхности в кинетическом ТВУС-течении вблизи острой кромки через компоненты решения (на стенке) задачи ТВУС полученной в рамках модели Навье–Стокса.

Гараев К.Г., Мухаметзянов И.Р. «Оптимально управляемые турбулентные пограничные слои в сверхзвуковых потоках газа» Математическое моделирование, 35, № 7, с. 28-40 (2023)

Рассматривается вариационная задача на условный экстремум типа Майера о построении закона распределения нормальной составляющей скорости вдува охлажденного газа в турбулентный пограничный слой при сверхзвуковом режиме обтекания, обеспечивающего минимальное значение конвективного теплового потока, передаваемого от горячего газа к обтекаемой поверхности. В качестве изопериметрического условия выступает мощность системы управления вдувом, рассчитываемая с учетом фильтрационного закона Дарси. Для решения оптимальной задачи используется первый интеграл для сопряженной системы относительно множителей Лагранжа, полученный ранее авторами с помощью классической теоремы Э. Нетер об инвариантных вариационных задачах и инфинитезимального аппарата Ли–Овсянникова. Для проведения вычислений используется метод обобщенных интегральных соотношений А.А. Дородницына, хорошо зарекомендовавший себя при расчете характеристик пограничных слоев при различных режимах течения. Вычислительный эксперимент, проведенный для случая обтекания сферы, показал эффективность найденного оптимального закона управления по сравнению с равномерным вдувом: выигрыш в значении минимизируемого функционала составил 16.8%. Новизна работы заключается в разработке метода решения вариационной задачи с использованием первого интеграла для сопряженной системы, а также метода обобщенных интегральных соотношений А.А. Дородницына. Научное значение работы заключается в развитии теории оптимально управляемого пограничного слоя при турбулентном режиме течения в сверхзвуковых потоках газа. Полученные результаты могут представить интерес при проектировании систем активной тепловой защиты поверхностей в высокоскоростных потоках газа.

Васнев И.Р., Федорова Н.Н. «Численное моделирование нагрева стенок экспериментальной модели в сверхзвуковых течениях» Прикладная механика и техническая физика, 64, № 2, с. 121-126 (2023)

Представлены результаты расчетов сверхзвуковых турбулентных течений в канале с учетом сопряженного теплообмена между воздушным потоком и медной пластиной, моделирующей чувствительный элемент термопары. Численное моделирование выполнено при числах Маха набегающего потока M_∞=3, 4, 5. Показано, что результаты расчетов согласуются с экспериментальными данными, полученными в импульсной аэродинамической установке. Установлено, что при значениях времени порядка 100 мс сопряженный теплообмен со стальными стенками модели можно не учитывать. Ключевые слова: численное моделирование, сверхзвуковое течение, сопряженный теплообмен

Корнев К.Н., Логунов А.А., Шибков В.М. «Моделирование продольно-поперечного разряда в сверхзвуковом воздушном потоке в гидродинамическом приближении» Физика плазмы, 49, № 3, с. 288-295 (2023)

Получены трехмерные распределения скорости, температуры и давления в сверхзвуковом воздушном потоке при M=2, а также плотности тока в инициируемом в нем разряде. Газовый разряд постоянного тока величиной 10 А рассматривался в гидродинамическом приближении в рамках канальной модели. Рассмотрена эволюция продольно-поперечного разряда в диапазоне времени t до 20 мкс. Показано, что разряд движется практически со скоростью основного сверхзвукового воздушного потока, достаточно слабо его возмущая. По полученным в расчетах характерным значениям плотности тока и температуры газа 8000–10000 К в разрядном канале сделаны оценки концентрации электронов n_e∼10¹⁶ см^–3. Оценена напряженность поля E∼125 В/см и приведенная напряженность поля в канале разряда E/N около 30 Тд. В конфигурации аэродинамической модели с укороченными электродами показан переход к закрепленной на их концах фазе разряда. Ключевые слова: CFD-моделирование, сверхзвуковой воздушный поток, поперечно-продольный разряд, канальная модель, гидродинамическое приближение

Битюрин В.А., Бочаров А.Н., Добровольская А.С., Попов Н.А., Фирсов А.А. «Перепробой продольно-поперечного разряда в сверхзвуковом потоке воздуха» Физика плазмы, 49, № 5, с. 425-437 (2023)

Представлена физическая и численная модель продольно-поперечного разряда в сверхзвуковом потоке воздуха. Рассматриваемая модель учитывает не только традиционные механизмы взаимодействия разряда и потока (конвекция, диффузия, тепловыделение, термохимическая неравновесность), но и процессы диссоциации и ионизации в сильных приведенных электрических полях. Показано, что в рамках двумерной модели разряда постоянного тока токовая петля уносится потоком до тех пор, пока скорость ионизации за счет сильного приведенного электрического поля в непосредственной близости от электродов не обеспечит достаточную ионизацию для формирования альтернативного канала тока: начинает формироваться новая петля тока, а старая затухает. Этот рассматриваемый процесс перепробоя разряда имеет периодический характер, при этом частота перепробоев в токовой петле пропорциональна амплитуде тока. Ключевые слова: сверхзвуковой воздушный поток, разряд постоянного тока в потоке, нетермическая ионизация, токовая петля, перепробой разряда

Мурсенкова И.В., Иванов И.Э., Ляо Ю., Зиганшин А.Ф. «Исследование взаимодействия поверхностного скользящего разряда с наклонной ударной волной» Физика плазмы, 49, № 5, с. 600-606 (2023)

Экспериментально исследован распределенный поверхностный скользящий разряд длительностью 500 нс в сверхзвуковых потоках воздуха с наклонной ударной волной. Числа Маха потока составляли 1.18–1.68, плотность воздуха 0.02–0.45 кг/м³. Разряд инициировался в режиме одиночного импульса. Ток разряда составлял около 1 кА при напряжении 25 кВ. Показано, что ток разряда и пространственно-временные характеристики излучения зависят от параметров локальной зоны разрежения в пограничном слое. В стационарном потоке с косым скачком уплотнения разряд формируется в виде одиночного канала. Анализ высокоскоростной теневой съемки потока после разряда показал, что одиночный канал разряда генерирует полуцилиндрическую волну. Сравнение экспериментальной динамики ударной волны с результатами численного моделирования течения на основе нестационарных уравнений Навье–Стокса показало, что величина выделяемой в разрядном канале тепловой энергии составляет 0.15–0.36 Дж. Ключевые слова: наносекундный поверхностный скользящий разряд, сверхзвуковой поток, наклонная ударная волна, высокоскоростная теневая визуализация, численное моделирование

Аксенов А.А., Тимушев С.Ф., Клименко Д.В., Федосеев С.Ю. «Применение акустико-вихревого метода для моделирования шума пропеллера мультикоптера» Математическое моделирование, 35, № 6, с. 14-36 (2023)

За последние десять лет происходит резкое увеличение применения мультикоптеров для различных целей. Мультикоптеры стали чрезвычайно популярными и используются в областях от наблюдения за дорожной ситуацией или пожарной обстановкой до раздачи Интернета или прохладительных напитков. Бесшумность и эффективность двигательной установки с винтовым движителем являются ключевыми аспектами при разработке современных беспилотных летательных аппаратов. Развитие этой области авиатехники в условиях ужесточения норм по шуму невозможно без эффективных методов оптимизации, работающих совместно с системами автоматизированного проектирования. Такой вызов требует развития теоретических подходов о численном моделировании механизмов генерации звука винтами мультикоптеров и соответствующего программного обеспечения. В данной статье рассмотрено программное обеспечение, основанное на методе расчета генерации звука и излучения шума винтом дрона с учетом декомпозиции вихревой и акустической мод. Развитие этого метода позволяет учесть влияние неоднородности и турбулентности потока, интерференции роторов, дифракции звука элементами планера, импедансных характеристик покрытия корпуса и других факторов при одновременном обеспечении точности и скорости вычислений.

Дубровин К.А., Зарвин А.Е., Каляда В.В., Яскин А.С. «К модели метрирования сверхзвуковых недорасширенных газовых струй в условиях конденсации» Теплофизика и аэромеханика, № 2, с. 227-237 (2023)

На основе измерений, выполненных с использованием метода фотовизуализации, в потоке аргона выявлено влияние крупных вандерваальсовых кластеров на поперечные размеры сверхзвуковой недорасширенной струи. В диапазоне средних размеров формируемых кластеров 330<‹S›<6200 част./кл. предложена модель поправок к известным газодинамическим эмпирическим зависимостям, сформированным в отсутствие конденсированной фазы, учитывающая особенности истечения газов из сверхзвукового сопла в условиях развитой конденсации. Рассмотрены возможные причины уширения газовых потоков в условиях развитой конденсации. Проведена апробация модели поправок в потоках с развитой конденсацией на ряде сверхзвуковых конических сопел.

Косинов А.Д., Семёнов Н.В., Яцких А.А., Кочарин В.Л., Шмакова А.В. «Влияние радиуса притупления передней кромки пластины на отклик пограничного слоя при воздействии N-волны при числе Маха M=2» Теплофизика и аэромеханика, № 2, с. 239-249 (2023)

Выполнено экспериментальное исследование влияния радиуса притупления передней кромки пластины на отклик пограничного слоя при воздействии N-волны при числе Маха 2. В экспериментах использовалось три модели плоских пластин с радиусами притупления передней кромки r=0,05, 0,5, 2,5 мм. Возмущения в набегающем потоке создавались с помощью генератора на боковой стенке рабочей части аэродинамической трубы Т-325 ИТПМ СО РАН. Получено, что в набегающем потоке за N-волной имеется протяженная область повышенного уровня пульсаций, в спектре которых амплитуда увеличивается как в низкочастотной, так и в высокочастотной частях по сравнению со случаем невозмущенного свободного потока. В условиях экспериментов показано, что порождаемая N-волной неоднородность течения может оказывать большее влияние на ламинарно-турбулентный переход в пограничном слое плоской пластины при увеличении радиуса притупления передней кромки.

Брутян М.А., Ибрагимов У.Г. «Точное решение уравнений Рейнольдса для турбулентных течений типа Джеффри–Гамеля в тонком диффузоре» Труды Московского физико-технического института (государственного университета) (МФТИ), 15, № 2, с. 110-118 (2023)

Рассмотрено турбулентное стационарное течение типа Джеффри–Гамеля вязкого газа от источника, расположенного в вершине тонкого клина. В рамках классической модели Прандтля для турбулентной вязкости и гипотезы Буссинеска для тензора турбулентных напряжений установлена возможность построения автомодельных решений. Уравнения в частных производных Рейнольдса при этом сводятся к системе обыкновенных дифференциальных уравнений. Найденный профиль скорости сравнивается с классическим логарифмическим профилем скорости.

Огородников В.А., Ерунов С.В., Панов К.Н., Чудаков Е.А., Блинов И.А., Георгиевская А.Б., Замыслов Д.Н., Фарин И.Р. «Характеристики “пылевых” потоков с поверхности лайнеров из меди и свинца при выходе на нее одной или последовательно двух ударных волн» Письма в ЖЭТФ, 117, № 10, с. 746-753 (2023)

Приведены результаты впервые проведенных сравнительных экспериментальных исследований процесса ударно-индуцированного выброса частиц (“пыления”) со свободной шероховатой (Rz20) поверхности лайнеров из меди и свинца при выходе на нее одной или последовательно двух ударных волн, разделенных по времени на 0.2 мкс. Такая ситуация возникает, как правило, в кумулирующих системах для сжатия плазмы цилиндрическими или сферическими лайнерами при их ударно-волновом или квазиизэнтропическом ускорении продуктами взрыва. С использованием методик импульсной рентгенографии, лазерно-оптической съемки, пьезоэлектрических датчиков давления и гетеродин-интерферометра исследована качественная картина и определены количественные характеристики процесса выброса частиц со свободной поверхности (СП): скорости СП и фронта потока (ФП) частиц, распределения плотности (массы) потока частиц в направлении его движения, необходимые для уточнения имеющихся особенностей и создания более обоснованных моделей описания эффекта.

Ху М.-Ю., Чзан Ш., Ся В.-С., Мэн Ц.-Ч., И В.-Б. «Численный анализ гидродинамических характеристик и напряженного состояния снаряда в форме усеченного конуса при его входе в воду со сверхзвуковой скоростью» Прикладная механика и техническая физика, 64, № 3, с. 3-11 (2023)

С использованием модели многофазной среды и метода жидких объемов, а также алгоритма построения смещенных сеток и программного обеспечения STAR-CCM+ численно решена задача о наклонном входе в воду снаряда в форме усеченного конуса. Рассчитаны гидродинамические характеристики и проанализировано напряженное состояние снаряда при различных углах входа в воду. Определен закон развития зоны кавитации. Показано, что полученные результаты расчетов согласуются с экспериментальными данными. Ключевые слова: взаимодействие конструкции с жидкостью, снаряд, напряженное состояние, гидродинамические характеристики

Воронин С.Т. «Численное моделирование сверхзвукового потока газов в коническом сопле с локальным подогревом плазмой и результаты экспериментов» Сибирский аэрокосмический журнал, 24, № 2, с. 309-324 (2023)

Приводятся результаты основных теоретических расчётов и некоторых экспериментов по локальному подогреву низкотемпературной плазмой сверхзвукового потока газов внешним индуктором при ионизации газов в керамическом коническом сопле, осуществляемой посредством мощного высокочастотного электромагнитного поля. В основе численных расчётов лежат положения электромагнитной теории поля на основе уравнений Максвелла, Навье–Стокса для газодинамики, Саха–Эггерта для ионов и электронов, которые дают возможность рассчитать основные параметры индуктора и необходимую удельную мощность для подогрева низкотемпературной плазмой сверхзвуковых многокомпонентных газовых потоков. Использована модель безвихревого (ламинарного) сверхзвукового стационарного потока газов и проведено математическое моделирование его движения в коническом сопле с целью возможного использования эффекта дополнительного подогрева газового потока низкотемпературной плазмой для увеличения эффективности работы жидкостного ракетного двигателя. Установлено, что, для осуществления эффективного подогрева газового потока низкотемпературной плазмой в расчётном диаметре, требуется проводимость газов не менее σs≥200 1/Ω·м для исходной температуры Та=2528–2674К и частоты f=27,12 МГц, что неосуществимо даже при наличии высокой концентрации примесей на основе щелочных металлов. Поэтому был разработан специальный прибор – ионизатор для камеры сгорания. Использование ионизатора позволяет достигнуть указанной проводимости для давления в камере сгорания 15 МПа. Расчёты показывают на возможность эффективного подогрева низкотемпературной плазмой сверхзвукового потока газов в начальном объёме конического сопла, который прилегает к критическому сечению жидкостного ракетного двигателя. Это позволит в дальнейшем значительно увеличить его удельный импульс и тягу на старте у поверхности Земли вследствие увеличения скорости потока газов в расчётном сечении. Также определено, что пристеночная область конического сопла обладает значительным градиентом температуры в радиальном направлении, тогда как вдоль оси симметрии конического сопла рост температуры имеет линейную зависимость. Результаты численного моделирования качественно согласуются с проведёнными экспериментами в кварцевом реакторе, охлаждаемом водой, что позволяло использовать разнообразные газовые и газо-жидкостные смеси для выбора топлива с оптимальным составом компонентов. Приводятся предварительные данные, полученные на рабочем стенде с тепловой мощностью кварцевого реактора, не превышавшей 4 кВт. Ключевые слова: низкотемпературная плазма, скин-слой, удельная высокочастотная мощность, давление магнитного поля, кварцевый реактор, окислитель нового типа.

Абдурашидов Т.О., Бут А.Б., Чупина Е.С. «Результаты численного моделирования истечения сверхзвуковой струи» Труды Московского авиационного института, № 3(130), с. https://trudymai.ru/published.php?ID=174624 (2023)

Представлены результаты расчетов сверхзвуковых холодных турбулентных струй с использованием прикладного программного обеспечения. Приводится сравнение результатов расчетов с данными эксперимента. Приводятся методы адаптации расчетной сетки для получения качественных результатов расчета и экономии машинных ресурсов при проведении расчетов. Проведенные в работе расчеты показали удовлетворительное сходство с данными экспериментальных работ. Моделирование сверхзвуковой струи в осесимметричной постановке с режимом адаптации расчетной сетки позволило существенно сэкономить вычислительные ресурсы и суммарное время расчета. Результаты, полученные в работе, могут быть использованы в прикладных задачах.

Кашковский А.В., Кудрявцев А.Н., Шершнёв А.А. «Численное исследование структуры недорасширенных сверхзвуковых струй разреженного газа методом прямого статистического моделирования» Теплофизика и аэромеханика, № 1, с. 33-39 (2023)

Прямое статистическое моделирование использовано для изучения влияния разреженности на структуру осесимметричной недорасширенной струи. Сравнение с данными других авторов показало, что этот метод позволяет с высокой точностью воспроизвести характеристики стационарной ударно-волновой структуры струи. Степень разреженности оказывает заметное влияние на течение, приводя, в частности, к изменению типа отражения от оси висячего скачка в первой бочке струи и исчезновению развитого диска Маха, что влечет перестройку структуры последующих бочек. Впервые в расчете, выполненном с помощью молекулярно-кинетического подхода, отмечалось формирование замкнутой зоны возвратного течения за диском Маха, что ранее наблюдалось только при моделировании путем решения континуальных уравнений.

Хотяновский Д.В., Шершнёв А.А., Кудрявцев А.Н. «Численное исследование развития неустойчивостей в сверхзвуковых струях прямоугольного сечения» Теплофизика и аэромеханика, № 2, с. 251-261 (2023)

На основе численного решения уравнений Навье–Стокса исследуется развитие неустойчивостей в сверхзвуковых изобарических струях, истекающих из сопел квадратного и прямоугольного сечений в спутный поток. Моделирование проводится при различных значениях чисел Маха струи и спутного потока. Результаты численных расчетов позволяют выявить качественные и количественные различия в развитии неустойчивости в случаях со сверхзвуковым и дозвуковым спутным потоком, а также характерные особенности течения для прямоугольных струй.