Гидродинамика и гидроаэроупругость высокоскоростных и нестационарных процессовНИР

Hydrodynamics and hydroaeroelasticity of high-speed and non-stationary processes

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Гидродинамика и гидроаэроупругость высокоскоростных и нестационарных процессов
Результаты этапа: Исследовано влияние конструктивных параметров на прогнозирование флаттера лопаток компрессоров газотурбинных двигателей, для оценки которого эмпирические и вероятностные критерии неприменимы, вследствие того, что рассматриваемые параметры не входят в число определяющих для упрощенных критериев. Используется разработанный на основе энергетического метода численный алгоритм прогнозирования флаттера, который может применяться, если формы колебаний в пустоте близки к соответствующим формам в потоке, что всегда выполняется для лопаток компрессоров, за исключением мало распространенных полых лопаток и лопаток из композиционных материалов. Исследование показало, что значение монтажного натяга существенно влияет на границы флаттера, в то время как влияние остальных рассмотренных конструктивных параметров на границы флаттера незначительно. Исследовано влияние химической неравновесности потока на флаттер конструкции летательного аппарата. Показано, что неравновесные химические реакции в гиперзвуковом потоке и соответствующее изменение локальной теплоемкости и температуры вдоль поверхности тела приводит к непостоянному, уменьшающемуся коэффициенту поршневой теории вниз по потоку, тогда как сама поршневая теория остается верной. Это приводит к увеличению критического числа Маха по сравнению с нереагирующим потоком. Влияние изменения состава воздуха из-за отклонения поверхности на возмущение давления на порядок ниже, чем возмущение давления, рассчитанное без учета состава. Полученные результаты могут быть полезны при проектировании легких и надежных гиперзвуковых летательных аппаратов. Проведены исследования автоколебательных кавитационных режимов на струйной установке, использующей помпажный режим кавитационных автоколебаний для генерации периодических импульсных струй. Экспериментально найдены режимы, когда естественно возникающее автоколебательное течение сопровождается интенсивным ударным воздействием на препятствие. Сравнительные исследования эффективности прямоточного волнового движителя (ВД) и традиционных ВД, использующих энергию качки судна показали, что тяга прямоточного ВД в условиях малой качки судна (на длинном судне) оказалась не хуже лучших показателей для традиционных крыльевых движителей, а на высоких частотах заметно выше. Проведено испытание на разных глубинах подводного судна с традиционным ВД. Получена зависимость скорости движения судна от глубины. С помощью формулы М.А. Лаврентьева получено нелинейное нестационарное решение для волнового бора. Результаты сопоставлены с экспериментальными данными, полученными на гидроканале Института и с численными расчетами задачи о возбуждении волн на воде конечной глубины движущейся наклонной пластиной. Разработана методика экспериментального определения тяги колесной системы при ее качении по поверхности воды и получены первые (качественные) результаты.
2 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Гидродинамика и гидроаэроупругость высокоскоростных и нестационарных процессов
Результаты этапа: Экспериментально, на плоской струйной установке, и теоретически, в рамках одномерной модели нестационарного течения несжимаемой жидкости, исследовано явление возникновения кавитационных автоколебаний при течении жидкости в магистрали с двумя последовательными сопротивлениями: первое - кавитатор, за которым образована искусственная вентилируемая каверна, второе – сопло, через которое происходит истечение жидкости и газа в атмосферу. В теоретической модели учтена конечность скорости распространения волн давления в напорном трубопроводе и эффект перемешивания фаз на границе контакта газа и жидкости в процессе ускоренного движения в сопле порции жидкости (помпажный режим). Расчеты для помпажного режима течения, показано хорошее согласование с экспериментальными данными. Показано, что масштабный эффект (зависимость безразмерных параметров от скорости) исчезает при давлении напора жидкости больших 0.4 МПа, что позволяет моделирование течения в высоконапорных установках (5 – 10 МПа) на стендах с умеренными давлениями напора. Исследования показали, что имеется область параметров, при которых кавитационные автоколебания можно эффективно использовать для генерации периодических импульсных струй. Двумя способами: на «стопе» и на «мерной базе».проведены измерение тяги гусеницы при качении по свободной поверхности воды: Предложен новый способ определения тяги гусеницы на маятниковых весах, при которых большая часть траектории маятник (гусеница) находится над поверхностью воды (нижняя часть возможной траектории погружена в воду, но не более чем на половину радиуса катка гусеницы). При движении маятника по нижней части траектории происходит интенсивное взаимодействие гусеницы с водой (работа силы тяги), что приводит к росту ее скорости и подъему на большую, чем исходную высоту. Проведено сравнение значения тяги гусеницы, полученные различными способами, а также приведена зависимость безразмерного коэффициента тяги от безразмерного параметра, равного отношению абсолютных скоростей нижней части гусеницы и надводной части модели. Экспериментально и теоретически исследован волновой след за глиссирующей пластиной. Экспериментальные исследования движения пластины, жестко закрепленной на динамометрической тележке проведены в гидроканале Института механики МГУ. Проведено численное моделирование условий эксперимента. Наблюдения показали, что стационарный периодический волновой след при околокритических скоростях отстает от тела и продолжает движение в виде ондулярного бора конечной длины. Аналогичная волновая картина наблюдается в виде уходящего вперед от тела волнового пакета и волн Фавра. С использованием формулы Лаврентьева получено нелинейное нестационарное уравнение для формы поверхности, описывающее бор с уменьшением длины волны при переходе на другой уровень. результаты сравнивались с расчетами и экспериментом. Получено хорошее совпадение теоретических и экспериментальных результатов. На гидроканале НИИ механики МГУ были проведены исследования движения подводного судна, оборудованного волновыми движителями. Модель подводного судна в масштабе 1:100 испытывалась в гидроканале сечением 1,5 х 1,5 м и глубиной 0,95 м на мерной базе длиной 10 м, с помощью грузов модель удерживалась на глубине 0,1; 0,2; 0,3 м. Эксперименты подтвердили работоспособность волновых движителей (парус, крыло) на исследованных глубинах.
3 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Гидродинамика и гидроаэроупругость высокоскоростных и нестационарных процессов
Результаты этапа: Исследованы колебания упругого цилиндра (шнура) в условиях резонанса вблизи от пластины конечной ширины в аэродинамической трубе А4 НИИ механики МГУ. Для одиночного цилиндра получено, что максимальная амплитуда колебаний, равная 0.3 его диаметра. В случае установки пластины под нулевым углом атаки в зависимости от расположения цилиндра обнаружено два типа поведения колебаний: уменьшение колебаний (относительно амплитуды одиночного цилиндра) при уменьшении зазора между поверхностью цилиндра и пластиной, характерное для колебаний цилиндра вблизи бесконечной плоскости, а также новый тип, характеризующийся увеличением амплитуды колебаний. Зафиксировано увеличение амплитуды колебаний до 39% при определенном положении пластины. Проведены исследования по созданию вентилируемых каверн за цилиндрическими кавитаторами диаметром 2–4 мм. Упор был сделан на создание максимально длинных каверн, а также минимизации влияния поддерживающих кавитатор стоек на каверну. Рассмотрено несколько геометрий стоек для создания одиночной каверны, а также варианты последовательного расположения двух кавитаторов в целях создания каскада каверн, среди них были определены оптимальные (наименее возмущающие каверны). Показана принципиальная возможность создания каскада каверн, при котором нижняя по течению создается воздухом из расположенной выше по потоку. На гидроканале Института проведены испытания модели судна с малой площадью ватерлинии (СМПВ), оборудованной крыльевым качающимся волновым движителем. Исследовано влияние на эффективность работы движителя осадки судна и погружение оси волнодвижителя (ВД). Найдена оптимальная глубина погружения ВД.Обнаружено, что при погружении корпусов СМПВ на глубину в значительной мере сохраняется эффективность крыльевого качающегося ВД. Экспериментально и расчетным путем проведены исследования влияния геометрических параметров сужающегося сопла на работу кавитационного генератора импульсных струй. Найдено оптимальное сужение сопла для эффективной работы генератора. Теоретически и экспериментально обнаружено большое влияние длины разгонного участка на интенсивность ударного воздействия струй на препятствие. На гидроканале Института с помощью динамометричекой тележки проведены буксировочные испытания различных моделей (модель судна типа Академик Курчатов, модель катамарана и модель СМПВ). На базе модели судна проекта 416 (типа Академик Курчатов) подготовлена задача студенческого практикума. Проведены эксперименты и получены результаты, позволяющие определять гидродинамические силы, действующие на гусеницы при качении транспортных средств по свободной поверхности воды.
4 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. Гидродинамика и гидроаэроупругость высокоскоростных и нестационарных процессов
Результаты этапа: Проведены исследования влияния параметров сопла на эффективность работы генератора импульсных струй, использующего кавитационные автоколебательные режимы течения жидкости. Обнаружено, что интенсивность ударного воздействия струй на препятствие имеет максимум в зависимости от сужения сопла. Проведены экспериментальные исследования эффективности применения волновых движителей на полупогружном судне катамаране. Обнаружено, что с погружением корпусов судна под воду эффективность работы крыльевых волновых движителей остается высокой при условии, что движитель располагается вблизи поверхности воды. На гидроканале Института проведены экспериментальные исследования проблемы движения гусеничной техники по поверхности воды. Исследована устойчивость бесконечного ряда тонких упругих прямоугольных пластин, шарнирно опёртых по всем краям и находящихся в сверхзвуковом потоке. Рассмотрен ненулевой угол скольжения потока со сверхзвуковой передней кромкой. Чтобы вывести выражение для нестационарного распределения аэродинамического давления на колеблющейся пластине, используется потенциальная теория течения. Была получена интегродифференциальная задача на собственные значения для нахождения комплексных собственных значений. Флаттер рассчитываются границы для первой и второй мод. Показано, как изменяются границы одномодового и связанного флаттера с изменением угла скольжения. В то время как границы гладкие при нулевым угле сколжения, они становятся нерегулярными, при увеличении угла; кроме того, появляются дополнительные изолированные области устойчивости и неустойчивости. Эта нерегулярность возникает из-за взаимодействия нескольких мод, которое происходит при ненулевом угле скольжения из-за их аэродинамической связи. Неустойчивость мягких упругих труб теоретически и экспериментально изучается во многих работах в контексте биологических приложений. Ранее исследовались только ньютоновские жидкости в эластичных трубках. Однако бывают ситуации, когда кровь, желчь и другие биологические жидкости демонстрируют по существу неньютоновское поведение. Теоретически исследууется осесимметричная устойчивость упругих трубок, в которорых течёт жидкость со степенным законом реологии. Показано, что для степенного индекса n = 1, т. е. для ньютоновского случая, осесимметричные возмущения в трубах бесконечной длины затухают, что соответствует экспериментальным и теоретическим наблюдениям, где колебания всегда связаны с неосесимметричным движением стенок трубы. Однако при n < 0,611 осесимметричные возмущения могут нарастать, что предсказывает новый тип неустойчивости упругих трубки, передающие псевдопластичные жидкости. При n < 1/3 локальная неустойчивость осесимметричных возмущений становится абсолютной в бесконечно длинных трубах, а в трубках конечной длины возникает глобальная неустойчивость. Изучено влияние осевого натяжения, длины эластичной трубки и, при наличии, длин жёстких входного и выходного участков.
5 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. Гидродинамика и гидроаэроупругость высокоскоростных и нестационарных процессов
Результаты этапа: Исследованы различные режимы течения в гидравлической системе, содержащей вентилируемую каверну, с отрицательным числом кавитации в широком диапазоне поддувов газа. При увеличении поддува наблюдается возникновение различных низкочастотных кавитационных автоколебательных режимов со значительными пульсациями давления как в каверне, так и во всей гидравлической системе. Показана возможность использования режима автоколебаний для создания генератора периодических импульсных струй. Исследовано влияние параметров генератора на эффективность его работы. Проведены испытания осесимметричной модели генератора, исследована область существования автоколебаний и зависимость интенсивности воздействия струй на препятствие от расстояния. На модели судна с малой площадью сечения по ватерлинии исследуется эффективность применения волновых движителей (ВД) трех типов (подпружиненное крыло, подводный парус и прямоточный ВД). В качестве рабочего элемента в первом и третьем случаях использовался профиль NACA0015. Оказалось, что с ростом осадки судна эффективность прямоточного ВД растет, а качающегося подпружиненного профиля и паруса уменьшается, но имеет достаточную эффективность при условии, что рабочий элемент ВД находится на оптимальной глубине. Испытания проводились на моделях различных масштабов. Оказалось, что эффективность ВД типа подпружиненное крыло и парус сильно связана с собственной частотой килевой качки судна, эффективность прямоточного ВД связана с крутизной волн и максимальна для предельных волн. На гидроканале Института механики МГУ проведены исследования работы волнодвижителей, установленных на модели подводного судна, получены зависимости изменения скорости движения модели от глубины ее погружения. Получено нестационарное уравнение волнового бора без обрушения. Это течение, например, наблюдается при входе прилива в реку. Начальное условие берется в виде элементарной монотонной функции. Гладкая форма волны дает возможность применить формулу М.А. Лаврентьева. Уравнение описывает эволюцию гладкого бора в цуг нелинейных волн. Модификация уравнения описывает течение, ограниченное эквипотециальной линией с начальным условием в виде малого наклона волновой поверхности. Показано, что такая постановка сводится к волнам Фавра. В обоих предельных решениях длина волны стремится к бесконечности. Интегрирование формулы М.А. Лаврентьева позволяет аналитически получить потенциал уединенной волны. Приводится сравнение теоретических результатов с численными расчетами и экспериментами в гидроканале МГУ. Проведены работы по определению оптимальных форм одного или нескольких тел-модификаторов колебаний резинового шнура в разрабатываемой ветроэнергетической установке, с помощью которого механическая энергия движения ветра будет преобразовываться в электрическую. Рассмотрены тела-модификаторы с поперечными сечениями в виде прямоугольников, эллипса, крыла. Рассмотрен вопрос влияния отклонений угла набегания потока от нулевого. Исследован случай «симметризации» установки путем установки двух тел-модификаторов. Дана схема будущей ветроустановки. Уравнение кривой, служащей аттрактором собственных значений при больших размерах системы, обобщается на случай произвольных собственных частот. Изучены наиболее характерные устойчивые локальные конфигурации кривой и их бифуркации при изменении параметров задачи.
6 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. Гидродинамика и гидроаэроупругость высокоскоростных и нестационарных процессов
Результаты этапа:
7 1 января 2025 г.-31 декабря 2025 г. Гидродинамика и гидроаэроупругость высокоскоростных и нестационарных процессов
Результаты этапа:

Прикрепленные к НИР результаты

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".