Математическое и физическое моделирование нестационарных взаимодействий неограниченных газовых потоков и струй со сплошными и проницаемыми теламиНИР

Mathematical and physical modeling of unsteady interactions of unlimited gas flows and jets with solid and permeable bodies

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Математическое и физическое моделирование нестационарных взаимодействий неограниченных газовых потоков и струй со сплошными и проницаемыми телами
Результаты этапа: Получены следующие прорывные и новые фундаментальные результаты. 1) Строго математически на основе классических уравнений Навье-Стокса несжимаемой жидкости постоянной плотности доказана теорема о независимости тензора присоединенных масс движущегося твердого тела от вязкости жидкости и мгновенного распределения в ней завихренности в окружающем пространстве. При этом тензор присоединенных масс в общем случае совпадает с соответствующим известным тензором для потенциальных течений и не зависит ни от предыстории движения тела, ни от схем его обтекания, включая и наличие отрывов. Данный результат является прорывным фундаментальным, поскольку дает точный ответ на вопрос, стоявший перед гидродинамиками много лет Результат также имеет важное практическое значение. В частности, теперь можно обоснованно утверждать, что при любом движении тела в вязкой несжимаемой жидкости скачок его ускорения вызовет мгновенный отклик в виде скачкообразного приращения гидродинамической силы на величину, определяемую только лишь тензором присоединенных масс этого тела (и ничем более!). 2) Экспериментально обнаружено, что при сверхзвуковом обтекании под углом атаки протяженных осесимметричных тел с кольцевыми выемками и выступами, существуют режимы течения с аномальным повышением давления на подветренной стороне тел. Эффект связан с развитием поперечных отрывов потока на подветренной стороне тела, инициирующих развитие вихревых структур и уменьшение толщины пограничного слоя так, что в область между вихрями проникает внешний сверхзвуковой поток и взаимодействует с препятствиями в условиях, подобных невязкому взаимодействию. 3) Численно показана возможность эффективного управления потоком при сверхзвуковом обтекании осесимметричного тела с кольцевой каверной за счет теплового источника, провоцирующего переключение режимов обтекания каверны в области существования аэродинамического гистерезиса. Кратковременное тепловое воздействие небольшой мощности внутри каверны способно привести к кардинальной перестройке режима ее обтекания с соответствующим изменением аэродинамических характеристик тела, в частности, – к снижению сопротивления тела с кольцевой каверной на 15–30%. 4) В рамках вихреразрешающегого подхода IDDES впервые воспроизведен наблюдаемый в экспериментах эффект апериодического переключения между двумя несимметричными метастабильными режимами турбулентного обтекания сферической и овальной каверны на плоской стенке канала прямоугольного сечения. Дополнительно показано, что подобное переключение принципиально невозможно получить в рамках традиционного URANS-подхода, который способен воспроизводить лишь один из двух указанных несимметричных режимов в зависимости от начальных условий. 5) Выполнен цикл экспериментальных исследований дозвукового взаимодействия цилиндра полукругового сечения с ветровым потоком. Получены распределения нестационарных локальных аэродинамических характеристик. Продолжены экспериментальные исследования строительных конструкций гражданского назначения с дозвуковым ветровым потоком.
2 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Математическое и физическое моделирование нестационарных взаимодействий неограниченных газовых потоков и струй со сплошными и проницаемыми телами
Результаты этапа: Даны оценки эффективности методов управления перестройкой состояний течений в диапазоне аэродинамического гистерезиса с помощью искусственных источников теплоподвода для достижения благоприятных режимов обтекания при взаимодействии сверхзвуковых потоков с кавернами на поверхности тел. Получены обобщающие результаты исследований структуры и режимов сверхзвукового обтекания под углом атаки удлиненных тел с кавернами и выступами на их поверхности и тепловых нагрузках на выступающие элементы конструкции этих тел. В том числе идентифицированы режимы, при которых на подветренной стороне тела образуется узкая сверхзвуковая струйка, которая, попадая, например, на рули, может влиять на управляемость, а также, из-за развития пульсаций потока, может приводить к разрушению или возникновению нештатных нагрузок на разнообразные надстройки, размещенные на подветренной стороне кормовой части тела. Выявлены механизмы интенсификации отрывных в элементах искусственных рельефов на стенках каналов, приводящие к интенсификации теплообмена. Создана база данных о возникновении экстремальных разрежений в окрестности двугранных и трехгранных угловых областей на поверхности тел в приложении к проблемам определения пиковых ветровых нагрузок на строительные сооружения и комплексы. Дано объяснение явлению формирования и разрушения реверсивной вихревой дорожки в следе за машущим профилем. Объяснена доминирующая роль присоединенной массы при формировании пропульсивной силы за счет маховых движений симметричного профиля. Разработан усовершенствованный код, реализующий авторский метод бессеточного моделирования нелинейных вихревых взаимодействий деформируемых систем упруго связанных тел с нестационарными потоками вязкой жидкости в приложениях к проблемам машущего полета и вихревого флаттера. Разработаны уточненные методы моделирования воздушного и теплового режимов зданий для повышения энергоэффективности при эксплуатации систем отопления и вентиляции с учетом ветровых воздействий на крупномасштабные архитектурно-строительные объекты и ограждающие конструкции.
3 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Математическое и физическое моделирование нестационарных взаимодействий неограниченных газовых потоков и струй со сплошными и проницаемыми телами
Результаты этапа: Экспериментально идентифицированы области неоднозначности режимов сверхзвукового обтекания удлиненных осесимметричных тел с кольцевыми выемки и выступами, дана классификация гистерезисных режимов. Выявлены новые механизмы нестационарного взаимодействия ударных волн с аэродинамическим следом при совместном сверхзвуковом обтекании систем тел. Разработано универсальное выражение (без интегралов по пространству) для гидродинамических сил, действующих на тела с обобщенными граничными условиями прилипания, частичного или полного скольжения (при моделировании обтекания тел с гидрофобными поверхностями). Развита теория устойчивости реверсивных вихревых дорожек за машущим профилем (со струйным типам осредненного течения). Дано объяснение потери симметрии таких следов, влияющее на возникновение ненулевой подъемной силы. Разработано усовершенствование авторской бессеточной вычислительной технологии ВВД для моделирования автоколебаний тел в потоке вязкой несжимаемой жидкости. На основе численного и экспериментального моделирования определены границы существования переключательных режимов в элементах искусственных рельефов в виде сферических, конических и овальных лунок на стенках каналов. Исследованы закономерности формирования пиковых ветровых нагрузок на характерных фасадах строительных сооружений. Определены аэрогидродинамические характеристики проницаемых материалов типа ячеистого бетона. Полученные фундаментальные результаты могут найти применение при разработке усовершенствованных методов управления сверхзвуковым обтекании удлиненных тел с кольцевыми в кавернами для достижения благоприятных аэродинамических характеристик; интенсификации смешения инжектируемых примесей в сверхзвуковой поток; моделирования машущего полета и ветроэнергетических устройств на принципе резонансных автоколебаний; интенсификации теплообмена при контроле гидравлического сопротивления в каналах с искусственными рельефами стенок; прогнозирования теплозащитных свойств ограждающих конструкций из ячеистого бетона в строительстве и учета пиковых ветровых воздействий на ограждающие конструкции строительных сооружений.
4 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. Математическое и физическое моделирование нестационарных взаимодействий неограниченных газовых потоков и струй со сплошными и проницаемыми телами
Результаты этапа: Дана уточненная классификация отрывных режимов сверхзвукового обтекания удлиненных осесимметричных тел, содержащих кольцевые выемки и выступы, под углами атаки. Получены сравнительные данные об эффективности энергетических и массорасходных методов управления гистерезисными режимами течений с целью достижения благоприятных режимов обтекания удлиненных осесимметричных тел, содержащих кольцевые выемки и выступы. Разработаны рекомендации для практической реализации схем управления в виде проекта создания экспериментального демонстратора. Объяснены газодинамические механизмы спонтанного переключения метастабильных состояний обтекания сферических лунок и близких форм элементов искусственных рельефов на стенках каналов. Идентифицированы квазиоптимальные возмущения, обеспечивающие возможность целенаправленного управления переключениями с целью достижения периодических режимов течения. Оценены термогидравлические свойства управляемых периодических режимов. Предложены способы организации периодических режимов с помощью пассивных элементов возбуждения квазиоптимальных возмущений. Получены аппроксимационные зависимости влияния воздухопроницаемости на теплозащитные свойства волокнистых и пористых материалов. Воспроизведены в рамках вычислительного эксперимента схемы снегоотложений на покрытиях строительных сооружений различного типа. Результаты сопоставлены с модельными экспериментальными данными в аэродинамической трубе. Оценены границы применимости вычислительных подходов к моделированию явления. Выработаны рекомендации для формирования практической методики прогнозирования снегоотложений на покрытиях сооружений под действием ветра.
5 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. Математическое и физическое моделирование нестационарных взаимодействий неограниченных газовых потоков и струй со сплошными и проницаемыми телами
Результаты этапа: Выполнен цикл экспериментальных исследований обтекания сверхзвуковым потоком газа конически заостренных осесимметричных цилиндрических тел c кольцевыми выемами (кавернами) на поверхности с целью изучения возможности управления отрывными режимами течения в кольцевых кавернах. С помощью метода RANS выполнены тестовые расчеты обтекания конуса, показавшие хорошее совпадение с экспериментальными данными по безразмерному коэффициенту давления. Получены новые данные о возможности управления режимами отрывного течения в каверне пассивными методами посредством изменения условий формирования потока на входе в каверну, в том числе, за счет изменения геометрии заостренного участка тела, а также за счет принудительной турбулизации потока на различных участках поверхности заострения. В рамках развития методов бессеточного моделирования течений несжимаемой жидкости раскрыт механизм генерации пропульсивной силы машущего крылового профиля на упругом подвесе и роль тензора присоединенных масс в этом процессе. Разработан высокопроизводительный метод вычисления граничных элементов в вихревых методах на основе конформного отображения. Выведено преобразование нестационарных уравнений Навье-Стокса вязкой несжимаемой жидкости при произвольном конформном отображении. Получены новые результаты расчетно-экспериментального исследования обтекания турбулентным дозвуковым потоком каверн различной конфигурации на пластине и на стенке плоскопараллельного канала. Получены профили скоростей, распределения коэффициента давления, а также визуализированы картины линий тока на поверхности каверн в зависимости от формы каверны, угла наклона ее продольной оси к набегающему потоку и относительной глубины. Показано, что при переходе от обычной овально-траншейной лунки к каверне каплевидной формы интенсивность возвратного течения на входном участке сохраняется, при этом общее сопротивление канала уменьшается. Показано, что использование пассивного элемента управления - тонкой лопатки, установленной на дне сферических и конических лунок позволяет стабилизировать апериодический переключательный режим обтекания (в том числе, сделать его периодическим). Установлены уравнения фильтрации для волокнистых и пористых материалов. Обобщена и систематизирована база данных по паро- и влагопроводности волокнистых и пористых материалов в зависимости от типа материала и его плотности.
6 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. Математическое и физическое моделирование нестационарных взаимодействий неограниченных газовых потоков и струй со сплошными и проницаемыми телами
Результаты этапа:
7 1 января 2025 г.-31 декабря 2025 г. Математическое и физическое моделирование нестационарных взаимодействий неограниченных газовых потоков и струй со сплошными и проницаемыми телами
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".