Семинар по фундаментальным проблемам аэродинамики в формате видеоконференции ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского, ИТПМ СО РАН, СПбПУ, ИМех МГУ

Тема: Прямое численное моделирование начальной стадии ламинарно-турбулентного перехода при гиперзвуковых скоростях потока

Авторы: Иван Владимирович Егоров, А.В. Новиков, А.В. Федоров (ЦАГИ) ivan.egorov@tsagi.ru

Проблема расчета ламинарно-турбулентного перехода (ЛТП) при гиперзвуковом обтекании является одной из основных задач аэродинамики больших скоростей. В случае низкого уровня внешних возмущений, что типично для условий полета, процесс ЛТП содержит три основных стадии: восприимчивость к внешним возмущениям; развитие неустойчивых мод, таких как первая и вторая моды Мэка, неустойчивость поперечного течения и вихри Гёртлера; нелинейный распад возмущений, заканчивающийся развитым турбулентным режимом обтекания.

Целостный расчет всех стадий ЛТП возможен только с помощью метода прямого численного моделирования (ПЧМ), в котором решаются полные нестационарные уравнения Навье-Стокса без каких-либо ограничений на основное (невозмущенное ламинарное) течение и амплитуду возмущений. Кроме того, в отличие от физических экспериментов, ПЧМ дает полную информацию о поле возмущений, что позволяет выделить и детально изучить различные механизмы ЛТП. Современные методы параллельных вычислений и бурное развитие многопроцессорных систем сделали возможным выполнять такие численные эксперименты для гиперзвуковых пограничных слоев на простых конфигурациях – пластина и конус под нулевым углом.

В докладе кратко обсуждается разработанный авторами пакет расчётных программ. Приводятся результаты ПЧМ развития трехмерных возмущений в пограничном слое на плоской пластине и в пристенном течении на угле сжатия при M_∞=5.373. Расчёты выполнены на вычислительном кластере с использованием до 768 процессорных ядер и расчётных сеток, содержащих 90 – 250 миллионов узлов.

С помощью визуализации поля трехмерных возмущений выявляются и обсуждаются особенности развития неустойчивости на линейной и нелинейной стадиях. Наряду с характеристиками пульсаций рассматриваются распределения средних тепловых потоков и коэффициентов вязкого трения на ламинарном и переходном участках обтекаемой поверхности, что позволяет определить начало ЛТП и оценить длину переходной области.