Моделирование тепловых потоков и аэродинамических характеристик с использованием модифицированного метода эффективной длины

Авиационная и ракетно-космическая техника


Авторы

Брага А. В.*, Минюшкин Д. Н.**

Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), МФТИ, Институтский пер., 9, Долгопрудный, Московская облаcть, 141701, Россия

*e-mail: braga.av@phystech.edu
**e-mail: minyushkin.dn@yandex.ru

Аннотация

Демонстрируется методика расчета конвективных тепловых потоков и аэродинамических характеристик тел в высокоскоростном потоке на основе модифицированного метода эффективной длины. Метод использует локальные параметры течения на внешней границе пограничного слоя, а предыстория обтекания учитывается через интегральные величины вдоль линий тока. У реальных изделий поверхность не является идеально гладкой, поэтому при практическом моделировании силового и теплового воздействия необходимо учитывать шероховатость поверхности. Существуют методы охлаждения через вдув в пограничный слой, что также необходимо учитывать при расчетах тепловых потоков. В рамках данной работы введены модели влияния шероховатости и вдува на теплообмен и ламинарно-турбулентный переход. Проведена валидация расчета аэродинамических характеристик при высокоскоростном обтекании сферы. Представлено исследование влияния длины тела на вклад коэффициента сопротивления трения в общий коэффициент сопротивления. Предложенный подход обеспечивает инженерную точность при существенно меньших вычислительных затратах по сравнению с прямым моделированием теплообмена в пограничном слое.

Ключевые слова:

метод эффективной длины, ламинарно-турбулентный переход, аэродинамические коэффициенты, высокоскоростное обтекание

Список источников

  1.  Михайлов Д.А., Пыхалов А.А., Зотов И.Н. Анализ достоверности численного решения сопряженной задачи аэродинамики, теплообмена и прочности для оценки условий обледенения // Вестник Московского авиационного института. 2025. Т. 32. № 1. С. 14-25.5. URL: https://vestnikmai.ru/publications.php?ID=184445
  2. Матковский Н.О., Тишков В.В., Гусев А.Н. и др. Особенности расчета параметров теплообмена на поверхности объектов авиационной техники с использованием инструментария Data Science // Тепловые процессы в технике. 2022. Т. 14. № 10. С. 475–480. DOI: 10.34759/tpt-2022-14-10-475-480
  3. Яцухно Д.С. Оценка конвективного нагрева поверхности волнолета с использованием метода эффективной длины // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2021. Т. 22. № 6. С. 156-195. DOI: 10.33257/PhChGD.22.6.975
  4. Минюшкин Д.Н., Брага А.В. Оценка тепловых потоков в окрестности точки растекания с использованием модифицированного метода эффективной длины // Вестник Московского авиационного института. 2025. Т. 32. № 2. С. 17-26. URL: https://vestnikmai.ru/publications.php?ID=184987
  5. Минюшкин Д.Н., Фролов И.С. Оценка конвективных тепловых потоков для метеороидных тел в трехмерной постановке // Теплофизика высоких температур. 2023. Т. 61. № 4. С. 588–593. DOI: 10.31857/S0040364423040099
  6.  Киселёв Н.А., Маластовский Н.С., Здитовец А.Г. и др. Аналогия Рейнольдса в пограничном слое с внешними воздействиями // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2024. Т. 25. № 6. С. 54-81. DOI: 10.33257/PhChGD.25.6.1141
  7. Брутян М.А., Йе Хтун. Применение пассивного метода управления обтеканием механизированного крыла путем выдува струи на закрылок с целью повышения несущих свойств // Вестник Московского авиационного института. 2025. Т. 32. № 1. С. 26-33. URL: https://vestnikmai.ru/publications.php?ID=184446
  8. Li X, Li C, Su W, et al. Experiment of influence of distributed roughness elements on hypersonic boundary layer instability. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica. 2024;45(2):128627. DOI: 10.7527/S1000-6893.2023
  9.  Zhang C, Lyu D, Zhu C, et al. Hypersonic boundary layer stability experiment of HyTRV lift body. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica. 2024;45(22):130272. DOI: 10.7527/S1000-6893.2024.30272
  10.  Лысенко В.И., Смородский Б.В., Ермолаев Ю.Г. и др. Экспериментальное исследование влияния отсоса сверхзвукового пограничного слоя на его устойчивость к контролируемым возмущениям // Теплофизика и аэромеханика. 2024. Т. 31. № 3. С. 467–474. 
  11. Лысенко В.И., Смородский Б.В., Косинов А.Д. и др. Влияние глубины слотов на стабилизацию сверхзвукового пограничного слоя // Теплофизика и аэромеханика. 2024. Т. 31. № 1. С. 77-87.
  12. Леонтьев А.И., Лущик В.Г., Макарова М.С. и др. Коэффициент восстановления температуры в сжимаемом турбулентном пограничном слое // Теплофизика высоких температур. 2022. Т. 60. № 3. С. 455—480. DOI: 10.31857/S0040364422030115
  13.  Lu X.G., Yi S.H., He L., et al. Экспериментальное исследование перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный на стреловидной пластине при переменном числе Рейнольдса // Известия РАН. Механика жидкости и газа. 2022. № 5. С. 129 –140. DOI: 10.31857/S0568528122030100
  14. Землянский Б.А., Лунев В.В., Власов В.И. и др. Конвективный теплообмен летательных аппаратов. М.: Физматлит, 2014. 377 с. 
  15. Журин С.В. Методика численного моделирования конвективного теплообмена на телах сложной формы с использованием метода эффективной длины: Дисс. ... канд. техн. наук. М.: МФТИ, 2010. 122 с.
  16. Андреев С.В., Бондарев А.Е., Михайлова Т.Н. и др. Приближенный подход к оценке сопротивления трения на телах вращения в вязком потоке // Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша. 2014. № 102. URL: https://keldysh.ru/papers/2014/prep2014_102.pdf
  17. Павленко О.В., Пигусов Е.А. Особенности применения тангенциального выдува струи на поверхность крыла летательного аппарата в условиях обледенения // Вестник Московского авиационного института. 2020. Т. 27. № 2. С. 7-15. DOI: 10.34759/vst-2020-2-7-15
  18. Сафиуллин Р. А. Теплообмен в области перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный // Известия АН СССР. Механика жидкости и газа. 1971. № 6. С. 92–96. URL: https://mzg.ipmnet.ru/ru/get/1971/6/92-96 
  19. Huh J, Kwon S. A practical design approach for a single-stage sounding rocket to reach a target altitude. The Aeronautical Journal. 2022;126(1301):1084-1100. DOI: 10.1017/aer.2022.18
  20.  Петров К.П. Аэродинамика тел простейших форм. М.: Факториал, 1998. 432 с. 

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 1994-2026