Все выпуски

Обсуждаются вопросы построения допустимых управлений в одной задаче оптимального управления нелинейной динамической системой при наличии ограничений на ее текущее фазовое состояние. Рассматриваемая динамическая система описывает управляемое движение ракеты-носителя от точки старта до момента ее выхода на заданную околоземную эллиптическую орбиту. Задача заключается в построении программного управления, которое обеспечивает выведение ракетой-носителем на орбиту полезной нагрузки максимальной массы и выполнение дополнительных ограничений на текущее фазовое состояние системы. Дополнительные ограничения обусловлены необходимостью учитывать величины скоростного напора, углов атаки и скольжения при движении ракеты в плотных слоях атмосферы и осуществлять падение ее отделяемых частей в заданные районы на земной поверхности. Для ракет-носителей ряда классов такая задача равносильна нелинейной задаче быстродействия с фазовыми ограничениями. Предлагаются и численно исследуются два алгоритма построения в этой задаче допустимых управлений, обеспечивающих выполнение указанных дополнительных фазовых ограничений. Методологическую основу одного алгоритма составляет применение некоторого прогнозирующего управления, которое априори строится в задаче быстродействия без учета в ней дополнительных ограничений, а другого - использование специальных режимов управления. Приводятся результаты численного моделирования.

The questions of constructing admissible controls in a problem of optimal control of a nonlinear dynamic system under constraints on its current phase state are discussed. The dynamic system under consideration describes the controlled motion of a carrier rocket from the launching point to the time when the carrier rocket enters a given elliptic earth orbit. The problem consists in designing a program control for the carrier rocket that provides the maximal value of the payload mass led to the given orbit and the fulfillment of a number of additional restrictions on the current phase state of the dynamic system. The additional restrictions are due to the need to take into account the values of the dynamic velocity pressure, the attack and slip angles when the carrier rocket moves in dense layers of the atmosphere. In addition it is required to provide the fall of detachable parts of the rocket into specified regions on the earth surface. For carrier rockets of some classes, such a problem is equivalent to a nonlinear time-optimal problem with phase constraints. Two algorithms for constructing admissible controls ensuring the fulfillment of additional phase constraints are suggested. The numerical analysis of these algorithms is performed. The methodological basis of one algorithm is the application of some predictive control, which is constructed without taking into account the constraints above. Another algorithm is based on special control modes. The results of numerical modeling are presented.

Численно исследуется явление возникновения скоростного бафтинга при обтекании профиля NACA0012 трансзвуковым потоком. Формулируется математическая модель, основанная на алгоритмах высокого порядка аппроксимации, позволяющая рассчитывать нестационарные отрывные течения. Модель базируется на интегрировании квазигидродинамических уравнений. Проводится параметрическое исследование обтекания профиля высокоскоростным потоком вязкого газа в зависимости от угла атаки. Анализируются как мгновенные, так и осредненные картины течения. Получены распределения пульсационных характеристик течений при различных углах атаки. Выявляются закономерности возникновения отрыва пограничного слоя, определено влияние скачков уплотнения на характер течения вблизи поверхности профиля. Определяется критический угол атаки, при котором начинает иметь место скоростной бафтинг.

Numerically, the phenomenon of the appearance of high-speed bufting is investigated for the case of a transonic flow past the NACA0012 airfoil. A mathematical model based on high-order approximation algorithms is formulated, which makes it possible to calculate nonstationary separated flows. The model is based on the integration of quasi-hydrodynamic equations. A parametric investigation of high-velocity viscous gas flow past an airfoil as a function of the angle of attack is carried out. Both instantaneous and averaged flow patterns are analyzed. The distributions of the pulsation characteristics of flows are obtained at different angles of attack. Regularities in the onset of detachment of the boundary layer are revealed, and the effect of shock waves on the nature of the flow near the surface of the airfoil is determined. The critical angle of attack at which high-speed bufting begins is determined.

Представлены результаты исследования возможности применения RANS моделей турбулентности для описания структуры потока в измерительном трубопроводе со стандартной диафрагмой и расчета коэффициента расхода с точностью, регламентированной стандартом. Показано влияние параметров сетки на точность расчета и сформированы рекомендации по сгущению сетки в пристеночных областях. Представлены зависимости протяженности отрывных зон от числа Рейнольдса. Установлены диапазоны по числу Рейнольдса применимости различных RANS моделей турбулентности для определения коэффициента расхода с погрешностью, удовлетворяющей требованиям стандарта.

Research results of turbulence models RANS application possibility for a stream structure in a measuring pipeline with the standard orifice plates description and flow coefficient calculation with the accuracy regulated by the standard are presented. The influence of the grid parameters on the calculation accuracy is shown and grid concentration in the near-wall regions recommendations are generated. Detachable zones length on the Reynolds number dependences are presented. Reynolds number ranges of various turbulence models RANS applicability are installed for flow coefficient definition with the accuracy meeting the standards requirements.

Обсуждается классическая задача о движении тяжелого симметричного твердого тела (волчка) с неподвижной точкой на горизонтальной плоскости. Ввиду одностороннего характера контакта, при определенных условиях возможны отрывы (подскоки) волчка. Известно два сценария отрывов, связанных с переменой знака нормальной реакции либо знака нормального ускорения, причем несовпадение указанных условий приводит к парадоксам. Для выяснения природы парадоксов подробно изучен пример маятника (стержня) с учетом ограниченности реального коэффициента трения. Показано, что в случае парадокса первого типа (невозможен ни отрыв, ни продолжение контакта) тело начинает скользить по опоре. В случае парадокса второго типа (возможен как отрыв, так и сохранение контакта) контакт сохраняется вплоть до перемены знака нормальной реакции, а затем нормальное ускорение при отрыве отлично от нуля.

The classical problem about the motion of a heavy symmetric rigid body (top) with a fixed point on the horizontal plane is discussed. Due to the unilateral nature of the contact, detachments (jumps) are possible under certain conditions. We know two scenarios of detachment related to changing the sign of the normal reaction or the sign of the normal acceleration, and the mismatch of these conditions leads to a paradox. To determine the nature of paradoxes an example of the pendulum (rod) within the limitations of the real coefficient of friction was studied in detail. We showed that in the case of the first type of the paradox (detachment is impossible and contact is impossible) the body begins to slide on the support. In the case of the paradox of the second type (detachment is possible and contact is possible) contact is retained up to the sign change of the normal reaction, and then at the detachment the normal acceleration is non-zero.

Численно исследуются газодинамические процессы, протекающие в начальный момент работы сверхзвукового сопла с высокой степенью геометрического расширения. Основное внимание уделяется изучению механизмов потери течением осевой симметрии за счет неустойчивости образующихся в сверхзвуковой части сопла зон отрывного течения. Модель нестационарного течения вязкого теплопроводного сжимаемого газа по соплу основана на системе уравнений сохранения в форме Навье-Стокса. Турбулентность исследуемого течения моделируется методом отсоединенных вихрей DES и его модификацией DDES с привлечением полуэмпирической модели Спаларта-Аллмараса. Выполнено сравнение распределения давления на стенке сопла, проекции годографа вектора тяги, мгновенных и осредненных картин течения с экспериментальными данными и численными результатами других авторов. Показано, что применение вихреразрешающего моделирования DES и DDES позволяет адекватно описать основные особенности течения и воспроизвести феномен возникновения боковой составляющей тяги сверхзвукового сопла при приемлемом уровне вычислительных затрат.

In this paper, we numerically examine the separated flow in an overexpanded nozzle developed during the starting phase of a rocket engine featuring the side-load effect. We use detached eddy simulation (DES), namely, its version referred to as delayed DES, and compare our results with the existing experimental and numerical data. The calculations are based on finite volume approximation of the Navier-Stokes equations for perfect gas and pressure-based formulation with PISO coupling. By investigating the unsteadiness associated with the shock-induced separation, a better insight can be obtained as to how these affect the nozzle start-up. Three-dimensional, transient, turbulent computational fluid dynamics methodology has been demonstrated to capture major side-load physics with supersonic nozzles. The main flow properties (wall pressure levels, shock waves pattern, side load locus) are rather well reproduced. We suggest using a delayed detached eddy simulation for more accurate predictions of the flow separation.

Рассматриваются различные подходы к численному моделированию пристенных турбулентных течений, основанные на комбинированных моделях турбулентности, адекватно описывающих параметры вихревого течения в ядре потока и локальные характеристики трения в пристеночной области. Используются различные модификации и комбинации моделей турбулентности: параметрические модели осредненного течения, стандартный метод крупных вихрей и модификации модели отсоединенных вихрей. Проведены расчеты тестовых задач  течение на плоской пластине и течение в плоском канале. В качестве критериев сравнения с экспериментальными данными выбраны локальный коэффициент сопротивления, распределение величины завихренности и распределение функции скорости от расстояния до стенки.

Various approaches to the numerical simulation of wall-bounded turbulent flows have been considered. Turbulence models have been assembled to allow equal proper description of the core-flow vortex parameters as well as local friction coefficient in near-wall domain. Different modifications and combinations of turbulence models have been applied, namely, RANS-based low-Reynolds models, standard LES approach and modified DES models. Testing calculations have been carried out for the flat plate flow and duct flow. The comparison of achieved results with known experimental and numerical data has been shown through the local friction coefficient, vorticity magnitude and distribution of velocity versus distance to the wall.