Эксперименты проводились на сверхзвуковом стенде АР-3. Цель исследований — повысить точность расчётов теплообмена в сложных условиях, например, в каналах и соплах установок, работающих при сверхзвуковых скоростях.

Сегодня при создании и управлении силовыми установками всё активнее используются цифровые технологии — digital twin (цифровой двойник) и digital prototype (цифровой прототип). Однако существующие методы расчёта теплообмена часто не учитывают важные особенности протекания физические процессы — например, развития пограничного слоя, изменения давления и перехода потока между ламинарным и турбулентным режимами. Из-за этого точность цифровых моделей снижается, что критично при проектировании современных газотурбинных двигателей.

В ходе выполненных экспериментов было выявлено влияние градиента давления, числа Маха и параметров течения на интенсивность теплообмена в сверхзвуковом канале. Измерения проводились с применением инфракрасной термографии и численного моделирования на основании уравнений Навье–Стокса.

«Современные вычислительные технологии позволяют объединять экспериментальные данные, численные расчёты и эмпирические зависимости в единую систему, — отметил Н.А. Киселёв. — Расширение диапазона применимости этих зависимостей, например, для безразмерного числа Стантона, помогает сохранять быстродействие цифровых моделей при увеличении числа факторов, влияющих на тепловые режимы работы моделируемых установок».

В ходе экспериментов авторы разработали методику, учитывающую совместное влияние градиента давления, сжимаемости и предыстории развития пограничного слоя на интенсивность теплообмена. Такой подход позволяет скорректировать существующие расчетные зависимости и повысить точность быстрых вычислительных моделей (reduced-order models), используемых при создании цифровых двойников и прототипов.

Работа выполнена коллективом Института механики МГУ под руководством старшего научного сотрудника лаборатории аэродинамики больших скоростей и термогазодинамики Николая Александровича Киселёва и при поддержке Российского научного фонда (грант № 19-79-10213).

Результаты исследования стали важным шагом к повышению эффективности проектирования и эксплуатации современных силовых установок, работающих в широком диапазоне тепловых режимов. Статья опубликована в журнале Applied Thermal Engineering. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2025.127529.