![]() |
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИПМех РАН |
||
В настоящее время все больше внимания уделяется вопросам развития гражданской сверхзвуковой авиации. Несколько авиакомпаний планируют выпуск небольших самолетов бизнес класса для быстрого перемещения пассажиров внутри континентов и между ними [1]. При этом возможность полета над населенными территориями существенно ограничивается максимально допустимыми уровнями импульсного шума, связанного с волной звукового удара [2]. Волна звукового удара всегда возникает при движении самолета на сверхзвуковой скорости и расходится от него в виде конуса Маха. Для снижения амплитуды ударной волны и изменения её формы предлагается специальное профилирование фюзеляжа самолета [3]. На этом пути уже достигнуты некоторые положительные результаты. При этом стоит отметить, что положительный эффект профилирования относительно легко достигается для небольших самолетов, для которых амплитуды ударных фронтов сравнительно невелики. Для больших пассажирских самолетов вопрос остается открытым. Еще одним важным аспектом проблемы является распространение волны звукового удара через атмосферу, и в частности, через приземный турбулентный слой [4]. Случайные неоднородности скорости звука в приземном турбулентном слое могут приводить к случайным фокусировкам волны и увеличению её амплитуды, при которых допустимый уровень шума будет превышен. Задача о влиянии турбулентных неоднородностей на параметры ударной волны ранее исследовалась либо упрощенными методами, например, с помощью лучевого подхода, либо в постановке проведения модельных экспериментов лабораторных масштабов [5-7]. На настоящее время для случая распространения ударных волн в реальной атмосфере эта проблема до конца не исследована. Международная активность в работе над данной проблемой в последнее время увеличилась. Так, например, японским аэрокосмическим агентством выполняется обширная программа экспериментальных исследований, включающая данные по реальной атмосферной турбулентности [8]. Принимая во внимание важность существующих в данном научном направлении проблем, предлагаемый проект направлен на исследование задач о распространении волн звукового удара в неоднородной турбулентной атмосфере с реалистичным распределением масштабов неоднородностей по высоте. В качестве турбулентной среды будет рассматриваться модель приземного слоя атмосферы, в котором турбулентные флуктуации скорости ветра и температуры проявляются наиболее сильно. Целью проекта является изучение статистических закономерностей изменения амплитуды и ширины ударного фронта акустической волны в такой среде, развитие новых акустических моделей и моделей турбулентной среды, позволяющих оценивать влияние случайных неоднородностей атмосферы на акустическое поле, а также сравнение эффектов турбулентности при распространении классических N-волн и модифицированных профилей пониженной шумности. Численные расчеты будут выполняться на основе двумерного уравнения типа Хохлова-Заболотской-Кузнецова (ХЗК) и системы уравнений Эйлера и Навье-Стокса, что позволит установить границы применимости параболического приближения для данного типа задач. Важность подтверждения применимости уравнения ХЗК обусловлена тем, что его решение гораздо менее затратно по вычислительным ресурсам по сравнению с полными волновыми моделями и с его помощью гораздо проще получать и анализировать статистические данные. Также планируется выявление в спектре турбулентных неоднородностей пространственных масштабов, наиболее ответственных за характерные искажения волн звукового удара. Новизна предлагаемых исследований обусловлена прежде всего тем, что в нем разработанные автором проекта методы исследования распространения нелинейных волн в неоднородных средах распространяются на масштабы реалистичной атмосферы, приближая фундаментальные научные результаты к современным практическим потребностям сверхзвуковой авиации. 1. P. Coen and D. Richwine, “Status and plans for NASA’s Quiet SuperSonic Technology (QueSST) aircraft design”, J. Acoust. Soc. Am., 2017, V.141, No.5, P. 3461-3461. https://doi.org/10.1121/1.4987181 2. K. Plotkin and D. Maglieri, “Sonic boom research: History and future,” AIAA Paper, vol. 2003–3575, 2003. 3. J. Pawlowski, D. Graham, C. Boccadoro, P. Coen, and D. Maglieri, “Origins and overview of the shaped sonic boom demonstration program,” AIAA Paper, vol. 2005–5, 2005. 4. Pierce and D. Maglieri, Effects of atmospheric irregularities on sonic-boom propagation," J. Acoust. Soc. Am. 1972, V.51, P. 702-924. 5. P. Blanc-Benon, B. Lipkens, L. Dallois, M. F. Hamilton, and D. T. Blackstock, “Propagation of finite amplitude sound through turbulence: Modeling with geometrical acoustics and the parabolic approximation,” J. Acoust. Soc. Am., vol. 111, no. 1 Pt. 2, pp. 487–498, 2002. 6. M. Averiyanov, S. Ollivier, V. Khokhlova, and P. Blanc-Benon, “Random focusing of nonlinear acoustic N-waves in fully developed turbulence: Laboratory scale experiment,” J. Acoust. Soc. Am., vol. 130, no. 6, pp. 3595–3607, 2011. 7. Yuldashev P. V., Ollivier S., Karzova M. M., Khokhlova V. A., Blanc-Benon Ph., ”Statistics of peak overpressure and shock steepness for linear and nonlinear N-wave propagation in a kinematic turbulence”, J. Acoust. Soc. Am., 2017, Vol. 142, no. 6, P. 3402 – 3415. 8. H. Takahashi, M. Kanamori, Y. Naka, Y. Makino, “Statistical characterization of atmospheric turbulence behavior responsible for sonic boom waveform deformation”, AIAA J., 2018, Vol. 56, No. 2, P. 673-686.
Now more attention is paid to the development of civil supersonic aviation. Several aircompanies are planning the production of small business class aircrafts for the rapid movement of passengers inside and between the continents [1]. In this case, the possibility of flying over populated areas is substantially limited due to the maximum permissible levels of impulse noise associated with a sonic boom wave [2]. A sonic boom always occurs when the aircraft moves at supersonic speed and propagates from it in the form of a Mach cone. To reduce the amplitude of the shock wave and change its shape, special profiling of the fuselage of the aircraft is proposed [3]. Some positive results have already been achieved on this path. It should be noted that the positive effect of profiling is relatively easy to achieve for small aircraft, for which the amplitudes of the shock fronts are relatively small. For large passenger aircraft, the question remains open. Another important aspect of the problem is the propagation of sonic boom through the atmosphere, and in particular through the atmospheric boundary layer [4]. The random inhomogeneities of the sound speed in the atmospheric boundary layer containing turbulence can lead to random focusing of the wave and an increase of its amplitude at which the permissible noise level will be exceeded. The problem of the effect of turbulent inhomogeneities on the parameters of a shock wave was previously studied either by simplified methods, for example, using the geometrical acoustics approach, or in the formulation of model experiments on laboratory scales [5-7]. At present, this problem has not been fully investigated for the case of propagation of shock waves in the real atmosphere. International activity in the work on this problem has recently increased. For example, the Japanese aerospace exploration agency (JAXA) is carrying out an extensive program of experimental studies, including data on real atmospheric turbulence [8]. Taking into account the importance of the problems existing in this scientific direction, the proposed project is aimed at studying the problems of propagation of sonic boom in an inhomogeneous turbulent atmosphere with a realistic distribution of the inhomogeneity scales in height. As a turbulent medium, a model of the atmospheric boundary layer will be considered, in which the turbulent fluctuations in wind speed and temperature are manifested most strongly. The aim of the project is to study the statistical properties of fluctuations of the amplitude and the shock front rise time of an acoustic wave in such a medium, the development of new acoustic models and models of a turbulent medium that allow one to estimate the effect of random inhomogeneities of the atmosphere on an acoustic field, and also compare the effects of turbulence on the propagation of classical N waves and modified “low boom” waveforms. Numerical calculations will be performed on the basis of a two-dimensional equation of the Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov type (KZK) and the system of Euler and Navier-Stokes equations, which will establish the limits of applicability of the parabolic approximation for this type of problem. The importance of confirming the applicability of the KZK equation is due to the fact that its solution is much less expensive for computational resources in comparison with full-wave models and with its help it is much easier to obtain and analyze statistical data. It is also planned to identify spatial scales in the spectrum of turbulent inhomogeneities, most responsible for the characteristic distortions of sound waves. The novelty of the proposed studies is primarily due to the fact that the methods developed by the author of the project for studying the propagation of nonlinear waves in inhomogeneous media will be extended to the scale of a realistic atmosphere, bringing fundamental scientific results closer to the modern practical needs of supersonic aviation. 1. P. Coen and D. Richwine, “Status and plans for NASA’s Quiet SuperSonic Technology (QueSST) aircraft design”, J. Acoust. Soc. Am., 2017, V.141, No.5, P. 3461-3461. https://doi.org/10.1121/1.4987181 2. K. Plotkin and D. Maglieri, “Sonic boom research: History and future,” AIAA Paper, vol. 2003–3575, 2003. 3. J. Pawlowski, D. Graham, C. Boccadoro, P. Coen, and D. Maglieri, “Origins and overview of the shaped sonic boom demonstration program,” AIAA Paper, vol. 2005–5, 2005. 4. Pierce and D. Maglieri, Effects of atmospheric irregularities on sonic-boom propagation," J. Acoust. Soc. Am. 1972, V.51, P. 702-924. 5. P. Blanc-Benon, B. Lipkens, L. Dallois, M. F. Hamilton, and D. T. Blackstock, “Propagation of finite amplitude sound through turbulence: Modeling with geometrical acoustics and the parabolic approximation,” J. Acoust. Soc. Am., vol. 111, no. 1 Pt. 2, pp. 487–498, 2002. 6. M. Averiyanov, S. Ollivier, V. Khokhlova, and P. Blanc-Benon, “Random focusing of nonlinear acoustic N-waves in fully developed turbulence: Laboratory scale experiment,” J. Acoust. Soc. Am., vol. 130, no. 6, pp. 3595–3607, 2011. 7. Yuldashev P. V., Ollivier S., Karzova M. M., Khokhlova V. A., Blanc-Benon Ph., ”Statistics of peak overpressure and shock steepness for linear and nonlinear N-wave propagation in a kinematic turbulence”, J. Acoust. Soc. Am., 2017, Vol. 142, no. 6, P. 3402 – 3415. 8. H. Takahashi, M. Kanamori, Y. Naka, Y. Makino, “Statistical characterization of atmospheric turbulence behavior responsible for sonic boom waveform deformation”, AIAA J., 2018, Vol. 56, No. 2, P. 673-686.
Результаты будут соответствовать намеченному общему плану проекта. При решении первой задачи будут получены рекомендации по практическому использованию методов численного моделирования распространения ударных импульсов в неоднородной турбулентной атмосфере, будут выявлены преимущества и недостатки одно-направленных и полных волновых моделей. Значимость данного результата обусловлена тем, что решение задачи о распространении нелинейных волн в неоднородной среде с помощью полно-волновых моделей все еще связано с большими вычислительными трудностями, особенно при трехмерной геометрии волнового поля. Использование модельных однонаправленных уравнений сильно облегчает задачу, однако необходимо четкое понимание условий их применимости и возможные количественные погрешности. Исследование данного вопроса даже на основе двумерных моделей позволит получить ценную информацию. Решение второй задачи позволит получить количественную информацию о статистике основных параметров классических N-волн и модифицированных профилей с пониженным уровнем шума после прохождения турбулентного слоя с реалистичным энергетическим спектром и распределением пространственных масштабов неоднородностей по высоте. Сравнительный анализ статистических данных позволит подтвердить преимущества модифицированных профилей по сравнению с классической N-волной при наличии турбулентности и таким образом обосновать применение профилирования формы фюзеляжа для снижения уровня шума на земле. Решение третьей задачи позволит оптимизировать численные модели распространения ударных импульсов в турбулентной атмосфере в части учета эффективного набора пространственных масштабов неоднородностей скорости звука. Результаты проекта внесут существенный вклад в вопрос о разработке критериев безопасности полетов сверхзвуковых гражданских самолетов над населенными территориями, т.к. эффекты турбулентности являются наиболее трудными для учета в процедурах сертификации и оценке уровня шума от волны звукового удара на поверхности земли.
грант РНФ |
# | Сроки | Название |
1 | 1 августа 2018 г.-31 декабря 2018 г. | Распространение волн звукового удара в реалистичной турбулентной атмосфере |
Результаты этапа: | ||
2 | 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. | Распространение волн звукового удара в реалистичной турбулентной атмосфере |
Результаты этапа: | ||
3 | 1 января 2020 г.-30 июня 2020 г. | Распространение волн звукового удара в реалистичной турбулентной атмосфере |
Результаты этапа: |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".