Новый подход к управлению турбулентным трением
Около половины аэродинамического сопротивления, которое испытывает летательный аппарат, приходится на трение поверхности о поток воздуха. В турбулентном пограничном слое этот показатель достигает критических значений из-за хаотического зарождения пристеночных вихрей — так называемых Λ-структур, ответственных за рост касательных напряжений. Традиционные механические методы борьбы с этим явлением, например, вибрация обшивки, сложны в масштабировании. На смену им приходит электрогидродинамический подход: воздействие на поток с помощью плазменных актуаторов, генерирующих управляемую объёмную силу.
Коллектив ученых, объединивший специалистов Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого, Института электрофизики и электроэнергетики РАН, ЦАГИ и Самарского университета, провел численное исследование того, как форма и интенсивность распределения этой силы влияют на создаваемый пристеночный поток. В работе использовалась аналитическая модель пространственного распределения силы, возникающей при диэлектрическом барьерном разряде, — явлении, когда под воздействием высокого напряжения происходит ионизация воздуха у поверхности диэлектрика.
Авторы ввели в модель гомотетический параметр. Эта величина, остающаяся постоянной при изменении режима питания актуатора, позволила сократить число переменных и упростить поиск оптимальных параметров управления. Для расчетов задавались условия, характерные для будущих экспериментов в аэродинамической трубе: скорость потока 15 м/с и динамическая скорость порядка 0,6 м/с.
Результаты показали, что для эффективного подавления турбулентных вихрей индуцированная поперечная струя должна разгоняться как минимум до полутора динамических скоростей. При этом максимальная плотность силы в расчетах не превышала 5 кН/м³ — значения заметно ниже, чем зафиксированные в некоторых экспериментах, что говорит о высоком потенциале метода.
Увеличение плотности силы в узкой пристеночной области, вопреки ожиданиям, не усиливает эффект на расстоянии, а ослабляет его. Более интенсивный разгон газа у стенки ведет к росту градиента скорости и, как следствие, к возрастанию вязкого трения, которое «съедает» часть переданного импульса. Иными словами, чем выше плотность силы при фиксированном интегральном импульсе, тем быстрее затухает струя.
Наконец, ученые сопоставили стационарный и импульсный режимы работы. При частоте импульсов выше 1 кГц осредненная картина течения практически не отличается от стационарной. Однако на низких частотах (около 500 Гц) возникают волнообразные возмущения, а амплитуда колебаний максимальной скорости достигает половины среднего значения. Учитывая, что характерное время «жизни» вихревых структур в турбулентном слое составляет около 4 мс, для квазистационарного воздействия частота импульсов должна быть кратно выше — по меньшей мере, в несколько раз превышать 1 кГц.
Оригинал статьи: Influence of the body force distribution generated by plasma actuator on the induced near-wall flow // Acta Astronautica. 2026. Vol. 228. P. 1-10.
