Ученые НИИ механики МГУ разработали новую методику, которая позволяет точнее учитывать влияние внешних факторов на процессы теплообмена в высокоскоростных потоках. Открытие важно для проектирования современных энергетических установок и газотурбинных двигателей.
Результаты исследования, выполненного при поддержке Российского научного фонда (грант № 19-79-10213), опубликованы в журнале Applied Thermal Engineering.
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. Работа выполнена коллективом Института механики МГУ под руководством старшего научного сотрудника лаборатории аэродинамики больших скоростей и термогазодинамики Николая Киселёва.
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 физических процессов — 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 Николай 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.
Открытие — важный шаг к повышению эффективности проектирования и эксплуатации современных силовых установок, работающих в широком диапазоне тепловых режимов.
Информация предоставлена пресс-службой МГУ
Источник фото: virtosmedia - ru.123rf.com
