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 2016 г.-31 декабря 2016 г. Математическое и физическое моделирование явлений перестройки и гистерезиса газогидродинамических процессов (этап1)
Результаты этапа: Получены новые экспериментальные и численные результаты исследования сверхзвукового обтекания кольцевых каверн на цилиндроконических телах при различных условиях формирования потока на входе в каверну. Выявлены и классифицированы механизмы переключения режимов течения при обтекании сферических каверн дозвуковым потоком. Разработаны уточненные методы идентификации процессов тепло-влагопереноса в пористых средах(в том числе строительных материалах). Выявлены особенности распределения ветрового давления в окрестности острых кромок ограждающих конструкций макетов зданий.
2 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Этап 2. Проведение экспериментальных численных и физических исследований (этап 2)
Результаты этапа: Экспериментально и численно исследованы и классифицированы эффекты влияния собственного вращения на АДХ плохообтекаемых тел. Выявлена способность минидефлекторов изменять диапазоны гистерезисных режимов сверхзвукового обтекания кольцевых каверн. Построены численные модели метастабильных состояний отрывных течений. Выявлен механизм формирования и эволюции смерчеобразных вихревых структур в углублениях рельефа на плоской стенке. Разработан метод калибровки феноменологических моделей нестационарных нагрузок на тела в сопротивляющейся сплошной среде и развита теория соударения упругих тел в жидкости. Создана методика оценки энергоэффективности ограждающих конструкций строительных объектов в условиях ветровых воздействий, разработаны методы расчета воздействий ветровых порывов на ограждающие конструкции зданий и сооружений, изучены физико-механические и теплофизические свойства газопроницаемых волокнистых и пористых элементов строительных конструкций.
3 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Этап 3. Совершенствование теории, создание прикладных методик (этап 3)
Результаты этапа: Экспериментально исследовано сверхзвуковое обтекание заостренного на конус осесимметричного цилиндрического тела с выступом в форме прямой кольцевой ступеньки на поверхности под углом атаки. Выявлены режимы течения, когда на подветренной стороне выступа наблюдается парадоксальное повышение давления по сравнению с таковым на наветренной стороне. Это явление объясняется развитием поперечного отрыва пограничного слоя с последующим образованием вихревой пары вблизи подветренной стороны. Вихри вызывают поперечный отток газа в двух противоположных направлениях от плоскости симметрии. Как следствие, на подветренной стороне высоконапорный поток проникает в область отрыва. Непосредственно из трехмерных нестационарных уравнений Навье-Стокса несжимаемой жидкости выведены точные выражения силы и момента через вихревой поток с поверхности тела для нестационарного течения вязкой несжимаемой жидкости при условии отсутствия скольжения. Введено понятие "тензор переноса завихренности", определен вихревой поток для всех точек течения и с поверхности тела (вихревой поток с поверхности тела в общем случае не совпадает с используемым в литературе граничным потоком завихренности). Выражения содержат только поверхностные интегралы и справедливы для вычисления силы и момента для каждого тела системы конечных тел в бесконечном или ограниченном пространстве. Они являются наиболее полезными для повышения эффективности вихревых методов численного моделирования нестационарных взаимодействий тел с вязкой жидкостью. Это продемонстрировано на численном примере обтекания сферы. Разработаны требования к методике определения динамических нагрузок на облицовочный слой ограждающих конструкций зданий с навесными фасадными системами (НФС) при ветровых порывах. Постановка задачи учитывает эффект запаздывания при релаксации внутреннего давления в подоблицовочном слое НФС под действием резко изменяющегося во времени внешнего давления на фасадах объекта при ветровых порывах. При этом внутреннее давление - не локальный, а интегральный параметр. Для его определения необходимо применять математический подход подсчета балансов втекающего и вытекающего воздуха в нестационарных условиях и в зависимости от условий загромождения проточных объемов в подоблицовочном слое НФС. Разработана методика идентификации зон относительной ветровой комфортности пешеходных зон на территории высотных строительных комплексов.
4 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Математическое и физическое моделирование нестационарных взаимодействий неограниченных газовых потоков и струй со сплошными и проницаемыми телами (этап 4)
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.
5 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.
6 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.
7 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:
8 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:
9 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:
10 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".