доцент, к.ф.-м.н. С.В. Гувернюк
исследовательская группа в лаб. 107 НИИ механики МГУ: внс М.М. Симоненко, снс А.Ю. Чулюнин, снс А.Ф. Зубков, снс А.А. Синявин

Наблюдаемые в природе течения жидких и газообразных сред в некоторых случаях обладают удивительным свойством зависеть от предыстории формирования этих течений. Например, конфигурация ударных волн перед летящей с большой сверхзвуковой скоростью группой из двух и более тел может существенно зависеть не только от скорости полета и взаимного расположения этих тел, но и от того, является ли данное расположение результатом их сближения или наоборот – разлета из какого-то предыдущего взаимного положения. В этом случае получается, что аэродинамические характеристики тел, например – их сопротивление, неоднозначно определяются скоростью полета и геометрией взаимного расположения, еще зависят от сценария, по которому происходило формирование данного взаимного расположения тел в процессе полета. Более того, даже если конфигурация системы тел была неизменной, то неоднозначность картины их обтекания может зависеть от сценария, по которому эта система тел достигла данной скорости полета – или путем увеличения или путем уменьшения от предыдущей скорости. Следствием такой неоднозначности структур течения взаимодействия является так называемое гистерезисное поведение зависимостей характеристик обтекания тел от режимных параметров (скорости потока, расстояния между телами, угла атаки и т.д.). Диапазон параметров задачи, при которых возможна подобная неоднозначность течений взаимодействия газовых и жидких сред с границами тел называется областью параметрического гистерезиса.

Аналогичное проявление гистерезиса возможно также при обтекании и одиночных тел, содержащих различного рода выступы и выемки, а также – при течениях каналах с локализованными элементами рельефа стенок, например – с кавернами или технологическими изгибами (применяемыми для формирования благоприятных условий течения в воздухозаборниках или теплообменных аппаратах). Гистерезисные явления при обтекании каверн и выемок могут проявляться также при изменении физических параметров потока. Предельным случаем кольцевой каверны является пара тел, одно из которых расположено в аэродинамическом следе другого тела. Такие задачи возникают при разделении тел в потоке, а также при вводе в действие систем стабилизации и торможения, например, парашюта.

Гистерезисные явления при обтекании тел, то есть зависимость картины обтекания от предыстории его формирования представляют большой интерес, относясь к числу трудных фундаментальных вопросов аэрогидродинамики. Лучшее понимание механизмов, управляющих такими явлениями, может открыть возможность формирования новых научных направлений. Определение границ существования гистерезиса является важной теоретической и практической проблемой, которая остается еще во многом малоизученной. Особенно интересным является возможность управления течением с помощью специальных вводимых в поток возмущений. Гистерезисные эффекты можно использовать для управления процессом обтекания, формировать необходимую структуру течения, регулировать динамическую устойчивость, гасить колебания тел. Вопросы адекватного численного моделирования этих явлений представляют чрезвычайную сложность.

По ряду составляющих, благодаря сочетанию численных методов и экспериментальных подходов, проводимые научной группой лаборатории исследования аэродинамического гистерезиса являются лидирующими в данной области мировой науки. В задаче о сверхзвуковом обтекании удлиненных осесимметричных тел с кольцевыми кавернами и выступами на их поверхности идентифицированы новые свойства гистерезисных переходов между неединственными режимами обтекания. Экспериментально выявлены новые сценарии перестройки при изменении угла атаки в зависимости от протяженности каверны, начального угла атаки и начального состояния обтекания каверны (открытая или замкнутая). Численно исследованы возможности принудительного переключения режимов обтекания кольцевой каверны с помощью искусственного источника внешнего энергоподвода внутри каверны. Показано, что тепловой источник обеспечивает эффективное переключение от закрытой к открытой схеме обтекания каверны при сопутствующем значительном снижении аэродинамического сопротивления тела.

В задаче о низкоскоростном турбулентном обтекании глубоких сферических и овальных лунок на плоской стенке канала экспериментально и численно воспроизведены неединственные стабильные и метастабильные состояния с несимметричными схемами вихревого течения около геометрически симметричных границ лунок, а также идентифицирован аэродинамический гистерезис при перестройке режимов обтекания.

Проявление неединственности картин обтекания тел, на поверхности которых имеются каверны - это актуальная и комплексная проблема газодинамики, результаты исследования которой важны также для развития аэрокосмической техники и др. отраслей промышленности. Студенты и аспиранты кафедры газовой и волновой динамики имеют возможность участвовать в совместных экспериментальных и численных исследованиях с научной группой лаборатории аэромеханики и волновой динамики в НИИ механики МГУ, выполняя свои курсовые, дипломные и диссертационные работы.

Публикации:

1. Guvernyuk S., Simonenko M., Zubkov. A. Experimental study of supersonic flow around an axisymmetric annular cavity at angles of attack// Acta. Astronautica 180 (2021). DOI
2. Guvernyuk, S.V., Chulyunin, A.Y. Metastable Separated Structures in Turbulent Flow around Circular and Oval Dimples // Tech. Phys. Lett. (2019) DOI
3. Guvernyuk S. V., Maksimov F. A. Hysteresis in supersonic flow past a plane cascade of cylindrical rods // Fluid Dynamics. (2021) DOI
4. А. С. Шишаева, М. М. Симоненко, С. В. Гувернюк, А. А. Аксенов. Численное моделирование управления потоком с помощью теплового импульса при сверхзвуковом обтекании осесимметричного тела с каверной в условиях аэродинамического гистерезиса // Физико-химическая кинетика в газовой динамике (2019). DOI