Московский физико-технический институт
Рис. Поля возмущений давления на стенке в различные моменты времени
При обтекании тел ламинарно-турбулентный переход (ЛТП) приводит к резкому возрастанию трения на поверхности и ее избыточному нагреву. В связи с этим для задач внешней аэродинамики важно достаточно точно определять положение ЛТП, не прибегая к прямому численному моделированию или эксперименту. Для этого требуются критерии начала ЛТП.
В данной работе исследуется метод поиска точки начала ЛТП, основанный на амплитудном критерии. За основу берется метод, предложенный Липманном [1] и модифицированный в работе [2]: отношение напряжений Рейнольдса и вязких напряжений в точке ЛТП принимает критическое значение. Рассматривается задача о развитии волнового пакета на плоской пластине и последующем образовании турбулентного пятна (рис.). Анализируются результаты расчета этой задачи, выполненного путем прямого численного моделирования [3].
В работе определены точки начала перехода по двум разным критериям, посчитаны соответствующие им критические значения. Получено согласование с известными результатами [2]. Для случая малой амплитуды вводимых возмущений, где переход не происходит, показано, что отношение напряжений не достигает критического значения.
Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ (проект №23-79-10072).
1.Liepmann, H.W. Investigation of boundary layer transition on concave walls stability and transition on curved boundaries // NACA Wartime Report 4J28, Feb. 1945.
2.Егоров И.В., Федоров А.В. Критерий начала ламинарно-турбулентного перехода в сжимаемом пограничном слое // Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки. В печати.
3.Чувахов П.В. Зарождение турбулентности в сверхзвуковых пограничных слоях: дис. … д-ра физ.-мат. наук: М., 2023.
4.Толоко Г.В. Применение амплитудного критерия начала ламинарно-турбулентного перехода в задаче о развитии волнового пакета на плоской пластине // Сборник тезисов 67-й Всероссийской конференции МФТИ. В печати.
Григорий Васильевич Толоко
НИИ механики МГУ имени М.В.Ломоносова
В работе рассматривается влияние стационарных возмущений, развивающихся согласно немодовому механизму, на устойчивость осесимметричной затопленной струи воздуха (D = 0.12 м, Re = 5400) с удлиненным ламинарным участком (~5D). В пристенных течениях хорошо изучен немодовый «lift-up» механизм: он вызывает резкий транзиторный начальный рост возмущений, существенно превышающий модовый рост, и переход к турбулентности происходит по немодовому сценарию. В струйных течениях данный механизм был впервые теоретически описан в работе [1], экспериментально обнаружен и исследован в предыдущих работах авторов [2].
Недавно, в теоретической работе [3], был обнаружен неожиданный эффект снижения инкремента роста собственной моды при модулировании течения стационарными возмущениями. В соответствии с этим, в представленном исследовании изучается взаимодействие двух механизмов линейного роста. Рассматриваются четыре режима течения: без вносимых возмущений, с вносимыми гармоническими возмущениями (с целью усиления модового роста), с вносимыми стационарными возмущениями (с целью иницииации немодового механизма) и комбинированное внесение гармонических и стационарных возмущений (см. Рис.). При помощи анемометрических, визуализационных и PIV экспериментов получены: длины ламинарного участка, кривые нарастания амплитуд наиболее растущей моды, развитие спектра возмущений вниз по потоку, продольная и поперечная структуры струи для четырех режимов течения. Результаты говорят об отсутствии влияния двух механизмов роста друг на друга.
Линар Рафаилович Гареев
ОИВТ РАН
В задаче затягивания ламинарно-турбулентного перехода (ЛТП) необходимы адаптивные к различному сценарию перехода методы контроля качества управления. Классические методы анализа перехода основаны на результатах термоанемометрии [1] и интегральной по времени термографии [2]. В работе рассматривается сегментация на ламинарные и турбулентные участки мгновенных полей скорости в области ЛПТ, вызванного неустойчивостью поперечного течения (НПТ). Исследование стимулированного ЛТП различными внешними условиями выполнялось в дозвуковой низкотурбулентной аэродинамической трубе с разомкнутой рабочей частью при нормальных условиях и скорости набегающего потока 25м/с. Трехмерный пограничной слой формировался на модели скользящего крыла с углом стреловидности 40 град. и наведенным градиентом давления. В пограничном слое доминируют моды неустойчивости поперечного течения, которые вызывают ламинарно-турбулентный переход на участке x⁄L≈0.6-0.9 по хорде модели. Диагностика потока выполнялась панорамным PIV параллельно пластине. В области перехода наблюдается несколько процессов различного пространственного масштаба: нарастание первичных мод НПТ с длиной волны λ≈7мм, образование вторичной неустойчивости λ≈1-3мм и формирование турбулентных пятен. Задача машинного обучения состоит в поиске оптимального фильтрового преобразования, чтобы сегментировать двумерные мгновенные поля скорости на ламинарные и турбулентные области. Модель основана на 2-х уровневой энкодер-дектодер сверхточной нейросети с прямой связью и параллельными обходными [3] с общим числом параметров 76 тыс. Обучение выполнялось на результатах статистического анализа перехода методом стохастического градиентного спуска с функцией потерь индекса Тверски. Продемонстрирована возможность анализа ламинарно-турбулентного перехода методом машинного зрения (рис. 1). Показана робастность результатов прогнозирования нейросети к данным измерения различной стадии и типа ЛТП, при доминировании НПТ. Показана возможность анализа турбулентных структур по мгновенной реализации. При сопоставлении нарастания перемежаемости вдоль выделенных клиньев точность определения точки перехода нейросетью составляет 5-10 мм или 1-2% хорды модели.
Работа выполнена при поддержке гранта Российского Научного Фонда № 24-19-00627.
1. Hedley T.B., Kefer J.F. Turbulent/non-turbulent decisions in an intermittent flow // J. Fluid Mech. 1974. Vol. 64. № 4. P. 625-644.
2. Boiko A. V., Ivanov A. V., Borodulin V. I., and Mischenko D. A. Quantification technique of transition to turbulence in boundary layers using infrared thermography // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2022. Vol. 183. № Part A.
3. Ranneberger O., Fischer P., et al. U-Net: Convolutional Networks for Biomedical Image Segmentation // CoRR. 2015.
Александр Янович Котвицкий
Московский физико-технический институт
Исследование ламинарно-турбулентного перехода (ЛТП) представляет собой одну из важных задач как для фундаментальной науки, так и для аэрокосмической индустрии. Практическая значимость в случае сверхзвукового потока обусловлена резким ростом трения и тепловых нагрузок в переходной области на поверхности летательного аппарата, что напрямую влияет на аэродинамическую эффективность, энергопотребление и термическую защиту. Изучение механизмов ЛТП позволяет точнее предсказывать его положение, а также выявлять наиболее вероятные сценарии перехода к турбулентности.
Данное исследование направлено на анализ результатов численного моделирования развития возмущений в сверхзвуковом пограничном слое, которые внесены с помощью генератора вдув-отсос, работающего на фиксированной частоте вблизи передней кромки. Параметры набегающего потока выбраны в соответствии с полётными условиями на высоте 20 км при числе Маха 3. Расчёт выполнен в рамках решения нестационарных уравнений Навье-Стокса [1, 2]. Проведён анализ профилей осреднённых и пульсационных характеристик течения. Исследованы зависимости коэффициента трения для стационарного и возмущённого режимов. Выполнены корреляционный и спектральный анализы пульсаций [3]. Установлена область временной периодичности решения, частично расположенной внутри турбулентного клина (рис.).
Рис. Мгновенное поле возмущений давления на стенке.
Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ (проект №23-79-10072).
1. Башкин В. А., Егоров И. В. Численное моделирование динамики вязкого совершенного газа // М: ФИЗМАТЛИТ, 2012.
2. Егоров И.В., Илюхин И.М., Калугин С.Т. Прямое численное моделирование зарождения турбулентности в сверхзвуковом пограничном слое на параболическом профиле // Изв. РАН. МЖГ. 2025. № 4 [принята к публикации].
3. Калугин С.Т. Численное моделирование ламинарно-турбулентного перехода в сверхзвуковом пограничном слое на параболическом профиле // Сборник тезисов 67-й Всероссийской конференции МФТИ. В печати.
Степан Тихонович Калугин
