Сотрудники НИИ механики МГУ представили новую методику, дающая возможность более детально оценивать воздействие внешних факторов на процессы теплообмена в потоках, движущихся с высокой скоростью. Это открытие имеет значение для разработки современных энергетических систем и газотурбинных двигателей.
Исследование, осуществленное при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 19-79-10213), опубликованы в журнале Applied Thermal Engineering.
Исследования проводились на сверхзвуковом стенде АР-3. Задача исследований заключалась в совершенствовании точности расчётов теплообмена в сложных условиях, таких как каналы и сопла установок, функционирующих при сверхзвуковых скоростях. Данная работа была осуществлена группой специалистов Института механики МГУ под руководством старшего научного сотрудника лаборатории аэродинамики больших скоростей и термогазодинамики Николая Киселёва.
В настоящее время цифровые технологии всё шире применяются при разработке и эксплуатации силовых установок — digital twin (цифровой двойник) и digital prototype (цифровой прототип позволяет проводить расчёты, однако традиционные методы определения теплообмена нередко игнорируют существенные характеристики физических процессов, такие как формирование пограничного слоя, изменение давления и смена режима потока с ламинарного на турбулентный. Это приводит к уменьшению точности цифровых моделей, что является важным фактором при разработке современных газотурбинных двигателей.
В результате проведенных исследований установлено, что на интенсивность теплообмена в сверхзвуковом канале влияют градиент давления, число Маха и характеристики потока. Данные были получены с использованием инфракрасной термографии и численного моделирования, основанного на уравнениях Навье–Стокса.
«Современные вычислительные технологии дают возможность интегрировать экспериментальные данные, результаты численных расчетов и эмпирические зависимости в единую систему , — отметил Николай Киселёв. — Увеличение области применения данных зависимостей, в частности, для безразмерного числа Стантона, позволяет поддерживать высокую скорость работы цифровых моделей при росте числа факторов, оказывающих влияние на тепловые режимы работы рассматриваемых установок».
В процессе исследований авторы создали методику, которая принимает во внимание комплексное воздействие градиента давления, сжимаемости и истории формирования пограничного слоя на интенсивность теплообмена. Данный подход позволяет внести коррективы в существующие расчетные соотношения и улучшить точность быстрых вычислительных моделей ( reduced-order models), применяемых при разработке цифровых двойников и прототипов.
Новая эра открывает возможности для улучшения процессов разработки и использования современных силовых установок, функционирующих в разнообразных условиях температурных режимов.
Информация предоставлена пресс-службой МГУ