Российские ученые раскрыли новые тайны ударной волны

Ученые получили революционные данные в области моделирования ударных волн в неравновесной газовой среде

Группа ученых из Самарского филиала Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (СФ ФИАН) получила революционные данные в области моделирования ударных волн в неравновесной газовой среде, что позволит внести существенный вклад в развитие новой науки – плазменной аэродинамики.

Согласно современной трактовке, плазменная аэродинамика – раздел аэродинамики, в котором изучается взаимодействие плазмы с дозвуковым или сверхзвуковым потоком газа. Один из основных объектов исследований в плазменной аэродинамике – ударная волна в неравновесной газоплазменной, химически активной среде.

Ударная волна – это поверхность разрыва (тонкая переходная область), которая движется относительно исследуемой среды (газа, жидкости, плазмы) со сверхзвуковой скоростью, и при прохождении ее фронта происходит скачок значений температуры, давления, плотности вещества среды, а также скорости распространения самой волны.

Если среда к тому же представляет собой намагниченную плазму, при прохождении фронта ударной волны наблюдается еще и изменение характеристик магнитного поля. Все эти процессы происходят не случайным образом, а по определенным законам, которые вполне известны для обычных (равновесных) сред, но которые еще предстоит установить для сред неравновесных.

В настоящее время ученым необходимо детально разобраться в механизмах распространения и изменения ударной волны в неравновесных средах. Важнейшей прикладной задачей таких исследований является создание так называемой «плазменной оболочки» самолета – включения в систему управления самолетом технологии искусственно создаваемого потока плазмы на крыле, которым можно управлять под воздействием магнитного поля, что позволит повысить эффективность аэродинамических характеристик летательных аппаратов.

Проводить подобные исследования лишь экспериментально – все равно что пытаться наугад с завязанными глазами собрать космический корабль: слишком дорого и неэффективно. Поэтому на помощь экспериментаторам приходят физики-теоретики, чьи расчеты и математические модели задают общий тон и направление дальнейших исследований. Одной из таких групп физиков-теоретиков, работающих в тесной «связке» с прикладными исследованиями, является группа под руководством зав. теоретическим сектором СФ ФИАН, доктора физико-математических наук, профессора Нонны Евгеньевны Молевич.

Молевич Н.Е. на Третьей Европейской Конференции по Аэрокосмическим наукам (3 EUCASS, Версаль, Франция, 2009 год). Фото с сайта fian-inform.ru

«Эксперименты по обтеканию моделей сверхзвуковыми газоплазменными потоками довольно дороги, без теоретических оценок получаются «метод тыка» и топтание на месте. Поэтому рассматривают более простые ситуации с ударными трубами. Предложенная нами простая модель акустически активного неравновесного газа пока единственная, которая качественно объясняет возможные причины ускорения ударной волны, уширения переходной области за фронтом, расщепления волны и образование ударноволновых импульсов. Замечу также, что эта модель удовлетворительно объяснила и экспериментально обнаруженное ранее при других режимах газоплазменных экспериментов усиление ударных и акустических волн.

Мы впервые показали на простых моделях, что в неравновесной среде структура ударной волны действительно может сильно отличаться от равновесной. Получены стационарные волны четырех типов: (1) ударные волны с возрастанием плотности и давления за разрывом, (2) волны с убыванием этих величин, (3) в форме автоволнового импульса, а также (4) в форме автоволны детонационного типа с ненулевой асимптотой. Показано, что эволюция волн малой амплитуды может быть для всех этих разных моделей неравновесной тепловыделяющей среды описана единым нелинейным уравнением», – рассказала Нонна Евгеньевна.

Результаты численного моделирования развития ударных волн из акустическогошума в неравновесной среде (2011 год). Фото с сайта fian-inform.ru

Следует отметить, что ранее в среде ученых бытовало мнение, что динамику ударной волны можно описать, разделив ее спектр на высоко- и низкочастотную области. Модель, предложенная группой Н.Е. Молевич, описывает весь частотный спектр возмущения без исключения, что позволяет адекватно, с экспериментальной точки зрения, описать поведение волны в разные моменты времени.

«Главное в наших работах на сегодняшний момент то, что впервые получен ответ на следующий вопрос: к чему приводит акустическая неустойчивость стационарно неравновесной среды с точки зрения конечной структуры газодинамического возмущения? Какие предельные амплитуды устанавливаются? Какая структура формируется за разрывным фронтом?» – объяснила Нонна Евгеньевна.

Вопрос, чем завершается акустическая неустойчивость, до последнего времени был неразрешенным, т. к. нелинейную структуру акустического возмущения пытались объяснить на основе низкочастотных или высокочастотных моделей. Группа ученых из СФ ФИАН показала, что это – неправильный подход. Стационарная структура формируется в результате нелинейной передачи энергии от неустойчивых низких частот к устойчивым высоким, и она сама имеет широкий спектр. Поэтому ее удалось правильно описать, только когда ученые из СФ ФИАН смогли получить обобщенное акустическое уравнение, как раз и способное описать эволюцию возмущения любого спектра.

Кроме того, впервые показано, что в зависимости от степени неравновесности среды существует критическая скорость ударных волн. Ударные волны могут распространяться только со скоростями, большими этой критической скорости. Исследования ударных волн с начальной скоростью меньшей, чем критическая, методами численного моделирования показали, что такие волны ускоряются и распадаются на последовательность автоимпульсов или автоволн с ненулевой асимптотой детонационного типа, что и наблюдалось в ряде экспериментов. Параметры этих самоподдерживающихся структур полностью определяются свойствами неравновесной среды.

Также впервые был определен один из возможных механизмов воздействия дисперсионно-вязкостных свойств неравновесной газовой среды на структуру ударной волны: акустические свойства неравновесной среды приводят к качественным и количественным изменениям структуры ударных волн, ряд из которых, например, ускорение ударной волны, расщепление фронта, образование впереди бегущих импульсов, ранее были зафиксированы экспериментально.

а) результаты численного моделирования расщепления фронта плоской ударной волны в неравновесной среде (2009 год); б) экспериментально полученные снимки ударной волны в работах А.И. Климова, ОИВТ РАН (2002 год). Фото с сайта fian-inform.ru

Показано, что подобные структуры могут образовываться при разных типах неравновесности и моделях релаксации, причем не только в технических приложениях, но и в природных средах. В последних они могут даже более ярко проявляться ввиду их протяженности и, соответственно, достаточности длины для установления стационарных режимов. Пример – модель межзвездного газа. Предложенная группой Н.Е. Молевич модель преобразования ударной волны позволила подтвердить гипотезу К.В. Краснобаева (ИКИ РАН) о наблюдаемой волокнистой структуре межзвездного газа. Согласно этой гипотезе, в ряде случаев наблюдаемая волокнистая структура – структура ударных волн в межзвездном газе – может быть связана с акустической неустойчивостью тепловыделяющей среды. В результате численного моделирования ученым из СФ ФИАН удалось показать возможность самопроизвольного распада ударной волны на систему автоволн на основе современной модели межзвездной среды.

Волокнистая структура ударных волн в межзвездном газе. Фото с сайта fian-inform.ru

Для развития идеи «плазменной оболочки», да и плазменной аэродинамики в целом необходимо детально разобраться в механизмах, приводящих к трансформациям структуры ударной волны в неравновесной газоплазменной и химически активных средах, классифицировать эти модификации. Именно поэтому научными центрами проводились и проводятся циклы экспериментов, исследующих поведение ударных волн в простых модельных условиях при зажигании разрядов разного типа. В этих простых модельных экспериментах наблюдались такие эффекты, как усиление и ускорение ударных волн, изменение структуры фронта и его расщепление, генерация предвестника в виде импульса перед фронтом ударной волны.

Пока полного теоретического обоснования этим явлениям нет. А, следовательно, и экспериментаторы работают «вслепую». Мы надеемся, что наши работы позволят изменить ситуацию», – заключила Нонна Евгеньевна.

Источник: АНИ «ФИАН-Информ»