Специалисты Института теоретической и прикладной механики имени С. А. Христиановича СО РАН при помощи уникальных аэродинамических труб и моделей крыла самолета изучают переход ламинарного течения в турбулентное в пограничном слое на до-, сверх- и гиперзвуковых скоростях. Результаты работы ученых уже помогают инженерам-проектировщикам летательных устройств в создании более экономичного и безопасного транспорта.
«Когда вы летите в самолете, экипаж может объявлять о вхождении в зону турбулентности, начинается тряска. В этом случае речь идет о турбулентности атмосферы, у нее большие масштабы, она значительно больше крыла самолета и не может существенно повлиять на него, только создает дискомфорт пассажирам. Изучаемая нами турбулентность — немного другой физический процесс. Она представляет собой относительно маленькие вихорьки, существенно воздействующие на сопротивление крыльев, фюзеляжа и других элементов конструкции самолета. Если эти воздушные колебания отсутствуют, тогда течение называется ламинарным, слоистым, появляющиеся вихри резко увеличивают усилия летательного устройства, ведь чтобы двигаться, нужно тратить больше энергии. Именно поэтому уже долгое время стоит вопрос о возможности ламинаризации, например, крыла самолета, которая, как считается, может позволить экономить до 30% топлива», — рассказывает заведующий лабораторией физико-математического моделирования неоднородных течений, главный научный сотрудник ИТПМ СО РАН член-корреспондент РАН Андрей Владиславович Бойко.
Вид на рабочую часть аэродинамической трубы Т-324
При движении в пространстве в тонком (пограничном) слое вблизи объекта может протекать ламинарное, спокойное течение воздуха, которое под влиянием различных физических факторов перерастает в турбулентное. Этот процесс называется ламинарно-турбулентным переходом. С момента начала исследований задача сибирских ученых — научиться управлять этими возмущениями, получить возможность контролировать момент изменения потока воздуха. Поэтому для достижения результата исследователям сперва необходимо изучить сам процесс с точки зрения физики. Работа начинается с теории — расчетов, как ламинарное течение превращается в турбулентное, после чего можно понять, какой формы должно быть крыло самолета, как правильно его расположить с целью максимальной ламинаризации. Так как проведение любых вычислений — процесс трудоемкий и очень ресурсозатратный, первым делом исследователи проводят эксперименты, в ходе которых выясняется, какие данные существенно не влияют на процесс перехода, а какие являются важными для теоретического построения модели.
«Поскольку турбулентность в пограничном слое возникает легко — достаточно наличия любой шероховатости или заклепки на поверхности — то нужно изучать, как именно возникают эти вихри и к чему они приводят. С другой стороны, атмосферная турбулентность может формировать бору, обладающую серьезным разрушительным эффектом, способную привести к катастрофе самолета. Поэтому необходимо научиться затягивать действие ламинарного потока или же управлять переходом на ранних стадиях, когда возмущения только начинают развиваться. В нашем институте построены уникальные аэродинамические трубы для работы на до-, сверх- и гиперзвуковых скоростях. Всего в нескольких странах мира существуют их аналоги, но никто, кроме нас, не имеет возможности проводить комплексное исследование ламинарно-турбулентного перехода на нескольких установках. В них воссоздается обстановка, в которой находится самолет, когда он летит на большой высоте. Мы проводим эксперименты, например, устанавливаем внутри трубы модель крыла самолета и датчиком термоанемометра на прецизионном координатнике или с помощью тепловизора получаем научные результаты. По итогу таких экспериментов мы определяем положение начала и конца перехода и исследуем сопутствующие физические явления, а дальше используем эти данные для построения рабочих теоретических и численных моделей, которые применяются уже на практике», — комментирует заведующий лабораторией аэрофизических исследований дозвуковых течений ИТПМ СО РАН доктор физико-математических наук Виктор Владимирович Козлов.
Подготовка тепловизионной камеры к диагностике течения в аэродинамической трубе Т-324 ИТПМ СО РАН (кандидат физико-математических наук Д. А. Мищенко)
Исследования ученые ведут сразу в двух направлениях. Во-первых, фундаментально-научном: специалисты отрабатывают разные подходы к тому, как на сложных трехмерных телах, движущихся в воздушном пространстве, определить положение ламинарно-турбулентного перехода. Во-вторых, ученые сотрудничают с промышленным заказчиком, например, АО «ОДК-Авиадвигатель», которое занимается ламинаризацией мотогондолы (отсек летательного аппарата, предназначенный для монтажа двигателя). Когда взлетает самолет, двигатель создает вибрацию и шум — всё это влияет на положение перехода, существенно усложняя первоначальные расчеты. Поэтому для проектировки летательных устройств необходимы теоретические и экспериментальные данные ученых.
«Для производителей конечного продукта обычно не стоит конкретная цель в создании ламинаризованного фрагмента устройства, им необходимо сразу несколько параметров “упаковать”, подготовить правильную технологию, которая будет работать в определенных условиях. Казалось бы, фундаментальная наука и работа на заказчика — абсолютно разные направления, но они объединяются переходом, вместе с тем, кроме обычных расчетов, нам еще необходимо учесть различные физические процессы, такие как возмущенность атмосферы, акустика двигателя, шероховатость поверхности, которые повлияют на положение перехода. Также, если никак нельзя доработать форму объекта, мы разрабатываем и тестируем управляющие устройства, уменьшающие возникающую турбулентность. В итоге все наши действия оказываются взаимосвязаны и одно не может существовать без другого», — добавляет Андрей Бойко.
Важнейшие результаты многолетней работы ученых обобщены в монографии Physics of Transitional Shear Flows, выпущенной издательством Springer, которая распродана в количестве 20 тысяч экземпляров. Написанная на английском языке книга рассчитана не только на российскую аудиторию, но и на западную, она показывает достижения одного из направлений института.
«Принято, что научные результаты в узкой области характеризуются статьями, содержащими прорывные идеи, опубликованными в высокорейтинговых журналах. Если же говорить о целых направлениях, то здесь об успехах можно судить по наличию монографий, которые определяют, как будут думать люди, будь то специалист в конкретной сфере или просто студент, изучающий нашу работу в рамках работы по курсу физики. Написанные нами труды говорят не только об успехах лаборатории, они указывают на место института в мировой науке, оценивают российскую мысль в целом», — говорит Виктор Козлов.
Андрей Фурцев
Фото предоставлены исследователями
Источник информации: Управление по пропаганде и популяризации научных достижений СО РАН
