Физическая газодинамика и релаксационные процессыНИР

Physical gas dynamics

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
11 1 января 2014 г.-31 декабря 2014 г. Физическая газодинамика и релаксационные процессы
Результаты этапа: Разработан и протестирован на 3 типах высокоскоростных течений мобильный диагностический комплекс для визуализации импульсных разрывных течений газа и плазмы на основе теневого фонового метода для крупных объектов. Результаты верифицированы сравнением с численными расчетами, PIV и другими оптическими методами. Проведены исследования ударных волн, возникающих при инициировании локализованных сильноточных разряда в канале ударной трубы при числах Маха до 3. Проведены измерения поля скоростей методом PIV во всплывающей гидродинамической струе и найдены условия перехода между различными типами течения вблизи поверхности раздела жидкость-газ. Проведены измерения поля температур теневым фоновым методом при наличии потока воздуха над испаряющейся жидкостью, выполнено сравнение с теоретическими моделями.
12 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. Физическая газодинамика и релаксационные процессы
Результаты этапа: Реализована локализация энерговклада на основе наносекундного объемного разряда в вихревое сверхзвуковое течение в газодинамическом канале. Исследованы времена послесвечения локализованных разрядов. Проведено численное моделирование соответствующих процессов с импульсным энергоподводом. Методом термографии высокоскоростных потоков жидкости исследованы энергетические спектры неизотермических пограничных слоев для струйных турбулентных течений. Показано наличие спектров, соответствующих двумерной турбулентности в дискообразном смесителе. Проведен сравнительный анализ полей температур, получаемых в воздухе в конвективном потоке над нагретой поверхностью с помощью теневого фонового метода и с использованием термографии «на просвет». Кроме того, рассмотрены измерения с помощью тепловизора полей температур с помощью маркеров, вносимых в конвективный поток. Проведено сравнение с двумерным и трехмерным моделированием. Проведены измерения полей скоростей на поверхности жидкости при наличии испарения. Показано, что в зависимости от типа жидкости, возникает два вида движений на поверхности при наличии и отсутствии массообмена между поверхностью и объемом.
13 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Физическая газодинамика и релаксационные процессы
Результаты этапа: -
14 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Физическая газодинамика и релаксационные процессы
Результаты этапа: -
15 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Физическая газодинамика и релаксационные процессы
Результаты этапа: Проведены экспериментальные исследования локализация энерговклада на основе наносекундного объемного разряда в различные участки течения при дифракции ударной волны на клине в канале ударной трубы с разрядной секцией. Получены изображения пространственной ионизации течения с разрывами в различные моменты времени в процессе и после дифракции ударной волны на клине. Проанализированы релаксационные процессы плазмы объемного разряда на основе полученных разверток свечения разряда с плоской ударной волной. Проведено численное моделирование на основе уравнений Эйлера нестационарного газодинамического процесса дифракции ударной волны на клине и взаимодействия отраженной ударной волны от стенок канала (пограничного слоя). Проведен анализ горизонтальной конвекции в припрверхностном слое жидкости. Проведено савнение с двумерным и трехмерным моделированием.
16 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Физическая газодинамика и релаксационные процессы
Результаты этапа: Проведено численное и экспериментальное исследование газодинамических и релаксационных процессов при реализации наносекундного скользящего распределенного разряда в пограничном слое, развивающемся на противоположных стенках канала за фронтом ударной волны. Разряды инициированы после дифракции ударной волны на клине за прошедшей плоской ударной волной. Показано,что в зонах отрыва потока за клином (зона низкой плотности) значительная часть тока импульсных поверхностных разрядов стягивается в эти зоны; Инициируется ударная волна, близкая по форме к цилиндрической. Получены теневые последовательные изображения распространения этих волн. Проведено численное моделирование на основе уравнений Эйлера нестационарного газодинамического процесса импульсного поверхностного локализованного энерговклада Опубликовано 7 статей по теме
17 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Физическая газодинамика и релаксационные процессы
Результаты этапа: Проведено на у экспериментальное исследование газодинамических и релаксационных процессов при реализации поверхностных наносекундных разрядов в пограничном слое в канале. Исследование влияния растворимых и нерастворимых примесей известной концентрации на формирование границы раздела «вода-воздух».
18 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Физическая газодинамика и релаксационные процессы
Результаты этапа: Проведено экспериментальное исследование импульсного воздействия наносекундной объемной ионизации на сверхзвуковое течений с прямым и с косым скачком уплотнения в канале ударной трубы с разрядной секцией. Показана возможность воздействия на поток на основе локализации разряда и распада разрыва. Проведено численное моделирование процесса на основе уравнений нестационарной гидродинамики. Экспериментальное и теоретическое исследование взаимодействия конвективных струй со свободной поверхностью жидкости с использованием новых цифровых методов визуализации.
19 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. Физическая газодинамика и релаксационные процессы
Результаты этапа: Проведено экспериментальное исследование ударно-волнового воздействия импульсной объемной ионизации на сверхзвуковое течение за плоской ударной волной с числами Маха 2-4 в газодинамическом канале 48х24 мм с прямоугольным препятствием. Визуальные данные и результаты обработки теневой высокоскоростной съемки течения после импульсной объемной визуализации и термографической съемки процесса в течение 1-10 мс после прохода ударной волны. Исследована горизонтальная конвекция при расположении источника нагрева на поверхности жидкости в зависимости от наличия или отсутствия слабой пленки примесей. Получены экспериментальные данные для поля скоростей (цифровая трассерная визуализация), поля температур ( теневой фоновый метод), рельефа поверхности (модификация теневого фонового метода), проведено сравнение с численным моделированием и автомодельными решениями.
20 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. Физическая газодинамика и релаксационные процессы
Результаты этапа: Впервые визуализированы в инфракрасном диапазоне тепловые поля при дифракции плоской УВ с числами Маха 2-4 на препятствии в канале ударной трубы 48х24мм. Показано, что наличие выступа существенно искажает изначально однородное распределение тепловых потоков. Со временем отмечается уменьшение излучения наветренной поверхности препятствия до полного смешения с фоновым излучением через 10 мс. Показано, что с точки зрения эффективности теплоотвода основную роль играет число Нуссельта, определяющее отношение реального потока тепла к молекулярному переносу. Показано, что в условиях, когда линейный источник нагрева (электрический провод, трубопровод), расположен у поверхности, механизм Марангони оказывается существенно эффективнее, чем механизм Рэлея при нахождении источника на глубине. По этой причине при подборе жидкости, в которой не возникает поверхностной пленки, можно существенно улучшить теплоотвод при расположении провода у поверхности, а не у глубине.
21 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. Физическая газодинамика и релаксационные процессы
Результаты этапа: В отчетный период Проведено экспериментальное исследование теплового воздействия плазмы при импульсной поверхностной ионизации стенки газодинамического канала с прямоугольным препятствием в сверхзвуковом течении за плоской ударной волной с числом Маха M=2-4. Анализ данных высокоскоростной термографической регистрации инфракрасного излучения (диапазон 1,5-5,1 мкм) при нагреве и остывании стенок канала после поверхностного разряда через ИК прозрачные окна рабочей камеры. Время - 5-10 мс после разрядного импульса. Сравнение экспериментальных данных с данными численного моделирования температурных полей при сверхзвуковом обтекании прямоугольного препятствия. Рассматривалась задача экспериментального определения поля турбулентной теплопроводности из экспериментального поля температур и определения из этого поля величины турбулентной вязкости. Это поле сравнивалось с результатами численного моделирования на пакете Comsol для моделей Спаларта-Аллмареса и k- ε . Экспериментальные данные получались для цилиндрической струи с помощью преобразования Абеля данных теневого фонового метода. Эти данные усреднялись по большой выборке (до 200 кадров). Кроме того, данные по скорости на выходе из сопла определялись с помощью датчиков. Для получения достоверных полей скорости и турбулентной вязкости предложенный метод ассимиляции данных требует сглаживания исходного поля температуры и регуляризации уравнения энергии в областях течения, где производные температуры близки к нулю. Поэтому в этом году был реализован альтернативный метод ассимиляции температурных данных — с помощью нейронной сети, основанной на физике (physics-informed neural network, PINN). Это новый подход, предложенный в статье Raissi et al. // J. Comput. Phys., vol. 378, pp. 686-707, 2019. В отличие от стандартных нейронных сетей, для обучения которых требуется массив исходных данных с известным точным решением, PINN восстанавливает недостающие данные, используя только имеющиеся результаты измерений, известные граничные условия и уравнения, описывающие течение. Для этого с помощью архитектуры стандартной нейронной сети минимизируется целевая функция, составленная из отклонений решения от имеющихся экспериментальных данных и из невязок уравнений и граничных условий. При успешном обучении в результате получается решение для полей всех гидродинамических величин, близкое к результатам измерений и с хорошей точностью удовлетворяющее заданным уравнениям, то есть фактически решается задача аппроксимации. Для нахождения производных, входящих в уравнения гидродинамики, PINN использует то же автоматическое дифференцирование, которое применяется при обучении стандартных нейронных сетей. Оказалось, что этот подход обладает большей гибкостью по сравнению с численным решением системы уравнений гидродинамики с подставленным полем температуры, не требует сглаживания исходных экспериментальных данных и введения в уравнение энергии дополнительного регуляризирующего члена. Результаты восстановления с помощью PINN полей скорости и турбулентной вязкости для турбулентной струи горячего воздуха, были опубликованы в статье Rudenko et al. // Heat Transfer Res., 2025, doi: 10.1615/HeatTransRes.2024055270. Полученные поля турбулентной вязкости находятся в хорошем соответствии с результатами моделирования для моделей Спаларта-Аллмареса и k- ε . Расхождение порядка 30 процентов соответствуют и расхождениям между различными моделями турбулентной вязкости.
22 1 января 2025 г.-31 декабря 2025 г. Физическая газодинамика и релаксационные процессы
Результаты этапа: 1. Проведено на стенде УТРО-3 экспериментальное исследование тепловых процессов миллисекундного диапазона при взаимодействии сверхзвукового и трансзвукового потока с поверхностью стенки цилиндрического затупленного тела на основе инфракрасной термографии. В газодинамическом канале в течении за плоской ударной волной с числом Маха M=1,5 – 5 получены данные по газодинамическим и тепловым процессам при взаимодействии потока с обтекаемыми поверхностями. Проведен количественный анализ динамики разрывов и трассеров на основе машинного обучения за время до 30 мс после прохода ударной волны. Получены данные термографической регистрации инфракрасного излучения (в диапазоне 1,5-5,1 мкм) при нагреве и остывании модели и стенок камеры через ИК прозрачные окна рабочей камеры. Проведено сравнение экспериментальных данных с данными численного моделирования температурных полей при сверхзвуковом обтекании модели. 2. Проведено исследование взаимодействия нагретой струи с поверхностью с целью определения полей температур, полей турбулентной вязкости и теплопроводности. Показано, что при использовании PINN можно отказаться от гипотезы постоянства турбулентного числа Прандтля и найти поле чисел Прандтля. Эти измерения можно сравнивались с численным определением турбулентного числа Прандтля методами DNS и LES, которые хорошо известны по литературе.
23 1 января 2026 г.-31 декабря 2026 г. Физическая газодинамика и релаксационные процессы
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".