Основные исследования и их результаты

Оборудование, на котором ведётся научно-исследовательская работа:
• Аэродинамический стенд «СтройАэро» на базе аэродинамической трубы А-6
• Сверхзвуковая аэродинамическая установка А-7
• Сверхзвуковая аэродинамическая установка А-8
Основные исследования и их результаты:
Сверхзвуковая аэродинамика
В экспериментальных исследованиях по аэродинамике автоматических космических аппаратов (КА), предназначенных для спуска на поверхность Земли и других планет, исследована структура обтекания и течение в ближнем следе в диапазоне чисел Маха М = 0,4–3,5; получены данные, характеризующие пульсации давления на поверхности аппаратов, используемые для решения вопросов прочности, вибрации и шума при разделении элементов КА и движении в атмосферах планет; выработаны рекомендации для снижения газодинамических и акустических нагрузок при посадке или старте КА; выявлены закономерности возникновения пульсаций донного давления для многосопловых ракетных двигателей; установлены закономерности влияния авторотации оперенных тел на их аэродинамические характеристики; получены фундаментальные результаты в области сверхзвукового обтекания треугольных крыльев и «звездообразных» тел. Оценены статическая устойчивость и эффекты аэродинамического демпфирования при сверхзвуковом обтекании тел малого удлинения, являющихся моделями современных автоматических КА. Экспериментально идентифицировано явление гистерезисного взаимодействия сверхзвукового потока с отрывными структурами в кольцевых кавернах (вырезах) на осесимметричных телах, характеризующееся неоднозначной зависимостью структуры течения от физических параметров внешнего потока, угла атаки и геометрии границ тела. В области аэродинамического гистерезиса отрывное течение газа является не единственным. На этом основана идея эффективного управления перестройкой течения от одного из возможных состояний течения к другому за счет кратковременно действующего локализованного источника возмущений.
Экспериментально и численно исследовано влияние слабого энергоподвода на перестройку режимов сверхзвукового обтекания прямоугольных каверн на поверхности плоских и осесимметричных тел. Показано, что в диапазоне параметров гистерезисного обтекания кратковременный подвод тепла в окрестности дна каверны может вызвать перестройку от замкнутой к открытой схемам обтекания. При этом аэродинамическое сопротивление тела может уменьшаться на десятки процентов. Результаты имеют фундаментальное значение, а также важны для ряда приложений. Дано обобщение задачи о взаимодействии тел с неравномерными сверхзвуковыми потоками, позволившее выявить единый механизм, определяющий, в главном, эффекты влияния тепловой и кинематической неоднородностей. Разработан метод сравнения неоднородных аэродинамических следов в сверхзвуковом потоке, порожденных источниками импульса или энергии. Показано, что способность аэродинамического следа изменять структуру обтекания расположенных вниз по потоку тел определяется, в главном, профилем поперечного распределения неоднородности динамических параметров в ядре следа. Оказалось, что для поддержания динамически эквивалентных неоднородностей в следе за источниками тепла или импульса более энергозатратным всегда является тепловой источник. Разработан и внедрен в состав инструментов известного пакета программ GasDynamicsTool эффективный метод моделирования течений около источников импульсно-периодического энергоподвода и их воздействия на аэродинамику тел, расположенных в следе за этими источниками. Выявлены асимптотические свойства свободной изобарической области в сверхзвуковом потоке, содержащем канал локализованной газодинамической неоднородности; найден критерий, позволяющий отбирать единственную из совокупности возможных автомодельных конфигураций течения с областью застоя.

Дифракция и кумуляция ударных волн
В линеаризованной и в полной нелинейной постановках задач выявлены новые режимы взаимодействия, дифракции и отражения слабых и сильных ударных волн. Аналитическое решение показывает, что пересечение слабой акустической волны с головным скачком уплотнения перед летящим со сверхзвуковой скоростью телом может приводить к возникновению на поверхности тела областей с аномально высокими градиентами давления. В нелинейной задаче о регулярном отражении сильной ударной волны от стенок конической воронки впервые обнаружен и объяснен механизм неограниченной кумуляции. По мере приближения к вершине вогнутой конической стенки фронт регулярно отраженной ударной волны искривляется таким образом, что асимптотически приобретает форму конической поверхности с углом наклона, превышающим локальный угол регулярного отражения первичного плоского фронта на отражающей границе. Благодаря этому возможны сочетания параметров, при которых ударно-волновые конфигурации имеют в асимптотическом пределе не конический, а цилиндрический сходящийся фронт с соответствующим неограниченным увеличением давления в момент схлопывания. Доказано, что трехмерные возмущения от входных кромок воронки не успевают охватить всю автомодельную область течения до момента схлопывания фронта отраженной волны, и поэтому они не могут ограничить степень кумуляции.
Парашюты и проницаемые тела
В экспедициях на Марс с помощью автоматических станций «Марс» и «Viking» посадка спускаемых аппаратов осуществлялась с помощью парашютных систем. Схема торможения предусматривала ввод парашюта на сверхзвуковых режимах при числах Маха в диапазоне от 2,5 до 4. Созданию таких парашютных систем предшествовали научно-исследовательские. Работа парашюта в сверхзвуковом потоке может сопровождаться интенсивными пульсациями купола, колебаниями суммарного аэродинамического сопротивления и неустойчивостью пространственной ориентации парашюта в целом. В лаборатории выполнен большой цикл экспериментальных исследований аэродинамики тормозных и стабилизирующих устройств (специальных парашютов и других систем), расположенных в аэродинамическом следе за лидирующим телом в условиях сверхзвукового полета аппаратов и их элементов. Выявлен гистерезис тормозящей силы сопротивления по параметру расстояния между куполом парашюта и головным телом, разработаны способы повышения устойчивости и снижения динамических нагрузок при раскрытии парашютов на сверхзвуковых скоростях полета. Результаты этих исследований использовались, в частности, при создании парашютных систем для посадки спускаемых аппаратов автоматических станций «Марс-3» и «Марс-6». Представлены оригинальные теоретические модели напряженно-деформированного состояния куполов парашютов различной конфигурации в раскрое при различных фазах наполнения в воздушном потоке; выявлены новые режимы авторотации лопастных парашютов (ротошютов), что позволило определить границы устойчивости положения оси вращения ротошюта на нулевом угле атаки; развиты методы замыкания систем граничных условий на поверхностях разрыва, моделирующих различные газопроницаемые границы тел из тканых и перфорированных материалов; построены аналитические и численные решения задач о взаимодействии до- и сверхзвуковых потоков сплошной среды с проницаемыми экранами и деформируемыми оболочками; экспериментально доказано существование режимов немонотонной зависимости сопротивления проницаемых экранов от степени их проницаемости; разработан и реализован на практике метод волновой диагностики газопроницаемых материалов.
Фундаментальные результаты получены по проблеме постановки граничных условий на внутренних поверхностях разрыва, моделирующих проницаемые экраны в сплошной среде жидкости или газа. Доказано, что поверхность разрыва, моделирующая наличие внутренней проницаемой границы в несжимаемой жидкости, неизбежно порождает поток объемной завихренности (за исключением нескольких простейших частных случаев). Для сжимаемой среды разработана теория обобщенной адиабаты проницаемой поверхности, позволившая дать полную классификацию многообразия режимов взаимодействия газа с тонкостенными проницаемыми экранами. Выявлен экспериментально режим двойного запирания, а также особый вырожденный режим E4, при котором для замыкания задачи взаимодействия достаточно лишь общих законов сохранения массы и полной энтальпии на разрыве (при этом любое дополнительное невырожденное соотношение переопределяет задачу, делая ее неразрешимой). На этой основе создан автономный программный модуль решения обобщенной задачи Римана о распаде произвольного разрыва на проницаемой границе, что позволило распространить методы вычислительного эксперимента на широкий класс задач о течениях газа с ударными волнами около проницаемых границ, например. Этот программный модуль был внедрен в состав известного отечественного вычислительного пакета GasDynamicsTool. Разработана теория «комбинированной проницаемости» (крупноячеистая перфорация поверх мелкоячеистого пористого материала). Типичным практическим примером комбинированной проницаемости является купол парашюта из проницаемого тканого материала при наличии дополнительной конструктивной перфорации. В рамках теории «квадратного» парашюта разработана модель «экономичного» парашюта с перфорированным куполом из квадратной непроницаемой пленки с четырьмя угловыми стропами. Дана классификация схем сверхзвукового обтекания решетчатых крыльев и решеток круглых стержней под углом атаки, определены условия смены режимов обтекания, обнаружены и объяснены гистерезисные явления. Лаборатория участвовала в расследовании МЧС крушения вертолета Ми-26Т, осуществлявшего тушение таежного пожара с помощью водосливного устройства ВСУ-15.

Процесс сброса воды из ВСУ-15 и испытания модели ВСУ в аэродинамической трубе А-6. На основании специально выполненных экспериментальных исследований модели ВСУ в аэродинамической трубе была исключена версия попадания соединительного троса ВСУ в хвостовой винт вертолета из-за превышения экипажем нормативной скорости полета. Оказалось, что угол устойчивой балансировки ВСУ в воздушном потоке более 40 градусов, а это исключает возможность опасного приближения соединительного троса подвески ВСУ к хвостовому винту вертолета при увеличении скорости полета.
Бессеточные методы в задачах нестационарной гидродинамики
Одним из ярких достижений лаборатории за последнее десятилетие явилась разработка теоретических основ и практическая реализация семейства бессеточных численных методов  решения нестационарных двумерных и трехмерных уравнений Навье-Стокса вязкой несжимаемой жидкости в произвольных областях, в том числе  - в неограниченном пространстве. К наиболее значимым теоретическим результатам, получившим широкое признание специалистов по вихревым методам, можно отнести общее интегральное представление для вычисления давления и гидродинамических нагрузок через параметры векторных полей скорости и завихренности жидкости и способ безытерационного решения сопряженных задач динамики и гидродинамики, позволяющий описывать движение дискретных тел и окружающей сплошной среды как единую динамическую систему. Соответствующие авторские коды в рамках методов «вязких вихревых, вихре-тепловых и дипольных доменов» (ВВД, ВВТД, ВДД) нашли эффективное применение при решении ряда фундаментальных и прикладных задач гидродинамики и динамики тел в вязкой жидкости. Решен цикл фундаментальных и прикладных сопряженных задач динамики, гидродинамики и конвективного теплообмена на основе бессеточного моделирования взаимодействий вязкой теплопроводной жидкости с колеблющимися и деформирующимися телами. В задаче о машущем крыловом профиле в потоке вязкой жидкости воспроизведен наблюдаемый в экспериментах эффект перестройки следа от обычной вихревой дорожки к реверсной и к возникновению пропульсивной силы по мере роста частоты взмахов. Дополнительно показано, что гибкость профиля увеличивает тягу на режимах существования пропульсивной силы, а также увеличивает к. п. д. соответствующего пропульсивного движителя. В задаче о влиянии частоты и амплитуды вибраций нагретого цилиндрического элемента на его сопротивление и теплоотдачу в потоке вязкой теплопроводной жидкости обнаружены аномальные режимы роста теплоотдачи при одновременном снижении сопротивления колеблющегося элемента. Вопросы эволюции вихревой дорожки Кармана позади кругового цилиндра относятся к фундаментальным вопросам классической гидродинамики. С помощью бессеточного моделирования детально воспроизведено явление самопроизвольной перестройки первичной дорожки Кармана в условиях отсутствия ограничений на размеры расчетной области. Фундаментальный вывод состоит в том, что причиной разрушения первичной дорожки Кармана является неустойчивость к варикозной моде продольных возмущений, приводящая к образованию самоподдерживающейся области с повышенной плотностью дипольного момента, которая и определяет протяженность первичной дорожки Кармана в зависимости от числа Рейнольдса. В другой задаче о нестационарном обтекании цилиндра, совершающего гармонические угловые колебания в неограниченном потоке вязкой несжимаемой жидкости, впервые в мировой расчетной практике воспроизведен наблюдавшийся в известном физическом эксперименте Танеды (1978 г.) эффект стабилизации ближнего следа (подавление первичной дорожки Кармана) при увеличении частоты вращательных осцилляций цилиндра.
Воспроизведен численно переходный процесс при отклонении интерцептора на крыловом профиле, дано объяснение эффекта кратковременного положительного всплеска подъемной силы и пикирующего момента. Идентифицированы механизмы возбуждения колебаний первоначально покоящегося физического маятника в вязкой жидкости под влиянием другого независимого маятника, совершающего затухающие свободные колебания при начальном отклонении от положения равновесия в поле сил тяжести. Объяснены механизмы перестройки вихревых и тепловых следов за колеблющимися цилиндрическими стержнями.

Отрывные турбулентные течения типа «уловленный вихрь»

Отрыв потока с поверхности тел или стенок каналов приводит, как правило, к ухудшению аэродинамических характеристик соответствующих объектов, но не во всех случаях. Если отрывная зона остается стабильно локализованной на одном и том же участке обтекаемой границы, например – крылового профиля, и не происходит выброса вихрей в основное течение, то такая ситуация может быть вполне благоприятной. Соответствующее отрывное течение получило в литературе название «уловленный вихрь», или trapped vortex. Одним из способов формирования уловленного вихря является применение вихревых ячеек в виде различных вырезов и искусственных рельефов. При этом объединенная граница тела и уловленного вихря представляет собой некоторую обобщенную внешнюю границу, обтекаемую безотрывно, однако требуются меры поддержания стабильности локализованных таким образом вихревых структур. Основные результаты лаборатории по данному направлению получены в рамках участия в совместных проектах с коллегами из других лабораторий института, а также других научных центров в России и за рубежом, в частности, в рамках международного проекта Vcell2050TTC. В лаборатории построена специализированная экспериментальная установка ВиЯ (вихревая ячейка), позволившая исследовать свойства уловленного вихря на стенке плоско-параллельного и диффузорного каналов. Осуществлена визуализация дозвукового обтекания вихревых ячеек. Обнаружены режимы течения, когда уловленный вихрь теряет устойчивость и происходит периодический выброс крупных дискретных вихревых образований из ячейки в основной поток. Опробованы способы стабилизации слоя смешения на границе уловленного вихря с помощью проницаемых поверхностей и систем управления вдувом/отсосом с обратной связью. Получены экспериментальные данные о влиянии градиента давления во внешнем потоке и отсоса через проницаемое центральное тело в вихревой ячейке на характеристики и устойчивость уловленного вихря. Результаты нашли применение для верификации вычислительных технологий расчета внутренних турбулентных течений. В задаче о трехмерном обтекании и теплоотдаче углублений на плоской стенке получены результаты, имеющие принципиальное значение для понимания механизмов генерации вихревых структур, влияющих на сопротивление и теплообмен поверхностей с искусственными рельефами. Экспериментально и численно идентифицированы метастабильные состояния несимметричного обтекания глубоких сферических лунок, определены их термогидравлические характеристики. Изучен перенос инерционной дисперсной фазы из лунки во внешний поток. Отличия в структуре течения внутри лунки при различных режимах приводят к различным типам траекторий инерционных частиц. Наиболее эффективным для выноса из лунки частиц дисперсной фазы является несимметричный режим обтекания лунки. В прикладном плане результат важен при проектировании устройств с луночным покрытием, для которых оседание дисперсной фазы является нежелательным, например, запыление устройств охлаждения элементов микроэлектроники.

Автоколебания и авторотация тел в неограниченных и стесненных потоках

Выявлен вихревой механизм авторотации оперенных цилиндров, имеющих вращательную степень свободы в дозвуковом потоке воздуха. Данные конструкции могут устойчиво балансироваться в потоке без вращения или находиться в состоянии незатухающей авторотации по любому из двух возможных направлений вокруг собственной оси симметрии. Простейшим примером такой конструкции является плоская пластина с закрепленной в потоке осью симметрии. Экспериментально получены картины оптической визуализации вихревых систем около самовращающихся двух- и многолопастных конструкций с плоским оперением. Впервые идентифицированы особые «вихревые спутники», периодически локализующиеся с подветренной стороны около одной из лопастей и обеспечивающие поддержание авторотации тел за счет формирования подгоняющего момента. Данное явление воспроизведено и исследовано численно с помощью авторского бессеточного метода ВВД, дана полная классификация движений одиночной и пары пластин. Результат важен для проектирования некоторых типов оперенных тел и роторных ветрогенераторов. Разработано и запатентовано семейство генераторов импульсных струй (ГИС), представляющих собой диффузорный канал с внутренним дестабилизатором. В выходном сечении ГИС возникает пара импульсных противофазно пульсирующих затопленных струй. Объединенная затопленная струя обладает аномально высоким уровнем эжекции среды из окружающего пространства. Одна из разновидностей конструкции (ГИС-2) семейства генераторов ГИС получила адекватное математическое описание с помощью авторской бессеточной вычислительной технологии ВВД.

Аэродинамика и теплофизика строительных и спортивных объектов

Выполнены фундаментальные и прикладные исследования проблем строительной аэродинамики. Исследования по данному направлению проводятся при участии инженеров лаборатории №102 на установках А-6 и А-10. Результаты внедрены в расчетные методики предприятий строительного профиля. Создана математическая модель для расчета нестационарных пиковых нагрузок на проницаемый облицовочный слой навесных фасадных систем (НФС) зданий, которая учитывает обнаруженный экспериментально эффект запаздывания релаксации внутреннего давления в вентилируемых прослойках НФС при воздействии внешних ветровых порывов. Экспериментально найдены оптимальные компоновки высотных сооружений, обеспечивающие пониженный уровень боковых знакопеременных нагрузок и минимизацию суммарного аэродинамического сопротивления ансамбля сооружений. Разработан и внедрен в практику проектирования национальный стандарт ГОСТ Р 56728–2015 – «Здания и сооружения, методика определения ветровых нагрузок на ограждающие конструкции». Разработаны новые теоретические подходы к движению влаги в капиллярно-пористых средах. Исследованы вопросы прогнозирования эксплуатационных свойств теплоизоляционных материалов (в том числе для минераловатных изделий в составе НФС), а также их влияние на температурно-влажностный режим и энергоэффективность ограждающих конструкций зданий.
В рамках сотрудничества МГУ с Федерацией прыжков на лыжах с трамплина и лыжного двоеборья России создан испытательный полигон для тренировок спортсменов с обеспечением потока воздуха, имитирующего фазу натурного полета в прыжках на лыжах с трамплина. В настоящее время в лаборатории ведутся исследования в рамках темы «Математическое и физическое моделирование нестационарных взаимодействий неограниченных газовых потоков и струй со сплошными и проницаемыми телами», входящей в тему «Газовая динамика и теплообмен»