Физически обоснованное моделирование ламинарно-турбулентного перехода в сверхзвуковых пограничных слоях

Разработана новая модель перемежаемости пограничного слоя. Данная модель опирается на результаты линейной теории устойчивости для характеристик неустойчивых волновых пакетов, приводящих к ламинарно-турбулентному переходу. Модель реализована в пакете программ HSFlow и позволяет производить гибридные LST-RANS расчеты для ламинарной, переходной и турбулентной области течения. Тестовые расчеты показали, что для двумерных конфигураций (пластина, конус под нулевым углом атаки) разработанная модель позволяет существенно повысить точность моделирования характеристик переходного пограничного слоя в широком диапазоне чисел Маха (от 0,04 до 7,93) и температурного фактора обтекаемого тела (от 0,07 до 1,0). Для всех приведенных тестовых расчетов расхождение между экспериментальными и расчетными данными не превосходит 15%, тогда как распространенные RANS модели без учета перехода дают ошибку по тепловому потоку и коэффициенту трения более 100% (по сравнению с величинами в ламинарной зоне). На ряде режимов течения, близких к режимам реального гиперзвукового полёта, обнаружен новый эффект, который наблюдается в развитии второй моды Мэка в гиперзвуковом пограничном слое и не был изучен ранее. Линейная теория устойчивости предсказывает, что вторая мода Мэка, распространяющаяся в пограничном слое на достаточно холодной пластине может излучать акустические волны во внешнее невязкое течение. Этот эффект, который назван спонтанным излучением (или испусканием) звука, подтвержден при помощи прямого численного моделирования. Показано, что данный эффект может влиять на положение и протяженность переходной зоны пограничного слоя.