Подписаться на рассылку новостей

Исследование и разработка методов предсказания и управления ламинарно-турбулентным переходом

Ответственный за направление И.В. Егоров

Участники Фёдоров А.В., Новиков А.В., Судаков В.Г., Рыжов А.А., Образ А.О., Песецкая Е.А.

Одной из ключевых проблем гиперзвуковой аэродинамики является проблема предсказания ламинарно-турбулентного перехода. Переход к турбулентному режиму обтекания приводит к возрастанию тепловых потоков в 3-8 раз, что вынуждает увеличивать вес теплозащиты или использовать более сложные и дорогие теплозащитные системы. Аэродинамическая устойчивость, эффективность двигателя и дальность полета также существенно зависят от местоположения зоны перехода. Большая неопределенность в предсказании линии начала перехода (более 200%) вынуждает применять консервативные критерии, что приводит к неоправданно большому весу теплозащиты и существенным неточностям в расчетах аэродинамического сопротивления летательных аппаратов (ЛА).

Несмотря на многолетние исследования, выполняемые в этой области в России, Европе и США, проблема предсказания ламинарно-турбулентного перехода не решена до сих пор. Это обусловлено следующими причинами:

  1. Т.к. переход чувствителен к возмущениям набегающего потока, числа Рейнольдса перехода измеряемые в аэродинамических трубах существенно отличаются от их значений в полете. Экспериментальная база данных ограничена и не покрывает практические диапазоны чисел Маха и Рейнольдса. Эти данные, как правило, не экстраполируются на условия натурного полета.
  2. Переход зависит от многих факторов, большинство из которых не контролируются в экспериментах.
  3. Переход может развиваться по различным сценариям, зависящим от конфигурации обтекаемого тела и состава внешних возмущений.

В связи с этим необходимы теоретические и численные исследования различных нестационарных процессов ведущих к возникновению турбулентности. Такие исследования помогают выявить ключевые механизмы ламинарно-турбулентного перехода, разрабатывать физически обоснованные методы предсказания местоположения зоны перехода, а также развивать методы управления переходом.

Наша группа ведет исследования в следующих направлениях:

1. Развитие физически обоснованных методов предсказания начала ламинарно-турбулентного перехода. В этом направлении разрабатывается вычислительный модуль для расчета линии начала перехода на двухмерных и трехмерных гиперзвуковых конфигурациях с помощью eN метода. Данный модуль позволит рассчитывать усиление неустойчивых возмущений различного типа в режиме «черного ящика». Модуль будет снабжен удобной для пользователя оболочкой и будет совместим с солверами, вычисляющими ламинарное обтекание гипрезвуковых тел на базе уравнений Навье-Стокса. В настоящее время проводится тестирование модуля на примерах перехода пограничного слоя на конусе под различными углами атаки. Также планируется включить в модуль опции предсказания перехода, вызванного шероховатостью обтекаемой поверхности. На первом этапе это будет сделано с помощью эмпирических критериев. В дальнейшем, эмпирическая составляющая будет уменьшаться по мере развития теоретических и численных моделей, описывающих возникновение турбулентности за неровностями.

2. Численное и теоретическое исследование восприимчивости пограничного слоя к внешним возмущениям. В этом направлении исследуется:

  1. Восприимчивость к температурной пятнистости и турбулентности набегающего потока.
  2. Восприимчивость к акустическим возмущениям набегающего потока.
  3. Восприимчивость к пылевым частицам.
  4. Восприимчивость к локальным вибрациям обтекаемой поверхности или локальному вдуву-отсосу.

Результаты этих исследований формируют основу для разработки метода предсказания перехода с учетом внешних возмущений (так называемый амплитудный метод). Это позволит существенно снизить эмпирическую составляющую и повысить точность. Кроме того, амплитудный метод дает возможность оценивать допустимые уровни внешних возмущений и шероховатости обтекаемой поверхности.

3. Численное и теоретическое исследование методов управления ламинарно-турбулентным переходом. В этом направлении группой разрабатываются методы ламинаризации (затягивания перехода к турбулентности) с использованием микропористых покрытий и волнистых стенок. Исследуется возможность управления переходом с помощью локально нагревания или охлаждения обтекаемой поверхности. Эти исследования ведутся как в рамках прямого численного моделирования развития неустойчивых возмущений в пограничном слое, так и с помощью линейной теории устойчивости.

Литература

  1. Fedorov A.V., Ryzhov A.A., Soudakov V.G., Utyuzhnikov S.V. Receptivity of a high-speed boundary layer to temperature spottiness // Journal of Fluid Mechanics. 2013. V. 722. P. 533-553.
  2. Lukashevich S.V., Maslov A.A., Shiplyuk A.N., Fedorov A.V., Soudakov V.G. Stabilization of High-Speed Boundary Layer Using Porous Coatings of Various Thicknesses // AIAA Journal. 2012. V. 50. No. 9. P. 1897-1904.
  3. Рыжов А.А., Судаков В.Г. Численное моделирование восприимчивости сверхзвукового пограничного слоя к энтропийным возмущениям // Изв. РАН. МЖГ. 2012. № 3. С. 59-67. (Ryzhov A.A., Sudakov V.G. Numerical Modeling of the Receptivity of a Supersonic Boundary Layer to Entropy Disturbances // Fluid Dynamics. 2012. V. 47. № 3. P. 338-345).
  4. Судаков В.Г. Численное моделирование восприимчивости гиперзвукового пограничного слоя к энтропийным и вихревым волнам // Учен. зап. ЦАГИ. 2013. Т. XLIV. №2. С. 25-32.
  5. Fedorov A.V., Ryzhov A.A., Soudakov V.G. Effect of local volume energy supply on high-speed boundary layer stability // AIAA Paper 2013-2881. 43rd AIAA Fluid Dynamics Conference. 24-27 June 2013, San-Diego, California, USA. 11 p.
  6. Fedorov A.V., Soudakov V.G., Egorov I.V. Investigations of laminar-turbulent transition on a sharp cone with localized heating or cooling in high-speed flow // AIAA Paper 2013-0524. 51st AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition. 7-10 January 2013, Grapevine, Texas, USA. 12 p.
  7. Fedorov A.V., Ryzhov A.A., Soudakov V.G. Numerical and theoretical modeling of supersonic boundary-layer receptivity to temperature spottiness // AIAA Paper 2011-3077. 41st AIAA Fluid Dynamics Conference and Exhibit. 27-30 June 2011, Honolulu, Hawaii, USA. 14 p.
  8. Ryzhov A.A., Soudakov V.G. Energy supply effect on supersonic boundary layer receptivity and stability // ICAS-2012 P2.21. 28th International Congress of the Aeronautical Sciences, Brisbane, Australia, 23-28 September 2012. 7 p.
  9. Soudakov V.G., Fedorov A.V., Ryzhov A.A. Direct numerical simulation of receptivity and stability of a high-speed boundary layer // 7th European Symposium on Aerothermodynamics for Space Vehicles. 9-12 May 2011, Brugge, Belgium. 8p. (ESA SP-692) (Abstracts p. 49).
  10. Soudakov V.G., Fedorov A.V., Egorov I.V. Stability of high-speed boundary layer on a sharp cone with localized wall heating or cooling // 5th European Conference for Aeronautics and Space Sciences (EUCASS). 1-5 July 2013, Munich, Germany. 13 p.
  11. Egorov I.V., Novikov A.V., Soudakov V.G. Numerical Simulation of Receptivity and Stability of High-Speed Boundary Layers // Specialists Meeting AVT-200/RSM-030 on Hypersonic Laminar-Turbulent Transition (NATO Research and Technology Organization event AVT-200). 16-19 April 2012, San Diego, USA. 20 p.