Ученые улучшили моделирование слабых ударных волн для аэрокосмической техники

Инженерам необходимо точно предсказывать, как мгновенные и сильные изменения давления возникают и рассеиваются, чтобы предотвращать повреждения, например, при запусках ракет. Команда из Йокогамского национального университета детально описала, как вычислительные модели представляют определённый тип ударной волны иначе, чем теоретические или физические предсказания. По словам исследователей, это новое понимание может помочь улучшить прогнозы. Автор: Yokohama National University

Ударные волны не должны быть неожиданными — инженерам в различных научных областях необходимо точно предсказывать, как мгновенные и сильные изменения давления возникают и рассеиваются, чтобы предотвращать повреждения. Теперь, благодаря команде из Йокогамского национального университета, эти прогнозы стали лучше изучены.

В работе, опубликованной 19 августа в журнале Physics of Fluids, исследователи детально описали, как вычислительные модели, используемые для симуляции поведения ударных волн, представляют очень слабые ударные волны таким способом, который явно отличается как от теоретических предсказаний, так и от физических измерений.

Ударные волны представляют собой давление, которое распространяется от взрыва или от объекта, движущегося быстрее звука, например, сверхзвукового самолета. Слабые ударные волны относятся к тем же изменениям давления, плотности и скорости, но они гораздо меньше крупных волн и движутся ближе к скорости звука. Однако, по словам соавтора Кейичи Китамуры, профессора инженерного факультета Йокогамского национального университета, современные подходы к вычислительному моделированию испытывают трудности с точным представлением этих очень слабых ударных волн.

«Ударные волны вызывают мгновенное сжатие, приводящее к увеличению энтропии; поэтому точные вычисления потоков, включающих ударные волны, имеют решающее значение», — сказал соавтор Кейичи Китамура, профессор инженерного факультета Йокогамского национального университета.

Энтропия относится к беспорядку, который, в кажущемся противоречии с ожидаемым физическим поведением, увеличивается по мере движения волны. По словам Китамуры, этот беспорядок находится в центре симуляций ударных волн. Обычные вычислительные подходы классифицируют очень слабые ударные волны как рассеянные, но эта классификация не учитывает более тонкие переменные волны, особенно при ее движении.

«Конечно-элементные методы обычно используются для решения разрывов в численном моделировании, поскольку они могут сохранять переменные даже при разрывах ударных волн», — пояснил Китамура, объясняя, что конечно-элементные методы относятся к конкретному количеству ячеек, используемых в вычислительном представлении. «Однако вычисление ударных волн с использованием конечно-элементных методов не всегда стабильно и при определенных условиях представляет сложности из-за их разрывной природы».

В анализе, сфокусированном на понимании конкретных свойств численно представленных ударных волн, исследователи обнаружили, что конечное состояние движущейся ударной волны можно классифицировать на три режима: рассеянный, переходный и тонко захваченный. Китамура отметил, что непроверенные численные симуляции автоматически корректировали предполагаемые физические параметры ударной волны, чтобы она соответствовала рассчитанной энтропии.

«Эта работа определила механизм рассеянных слабых ударных волн — он был вызван процессом генерации энтропии внутри численно выраженных ударных волн», — сказал Китамура. «Наши выводы помогут преодолеть разрыв в понимании между теоретическими и физическими слабыми ударными волнами, что потенциально может способствовать более безопасному, экономичному и точному проектированию будущих ракет и сверхзвуковых самолетов».

Гаку Фукусима, постдокторант кафедры машиностроения Университета Шербрука в Канаде, выступил ответственным автором этой статьи. На момент проведения исследования Фукусима был постдокторантом Японского общества содействия науке в Йокогамском национальном университете.

Больше информации: Gaku Fukushima et al, Peculiarity of moving weak shock computations: Entropy generation analysis of numerically expressed shock waves, Physics of Fluids (2025). DOI: 10.1063/5.0282374

Источник: Yokohama National University

Интересный факт: Исследования ударных волн имеют важное значение не только для аэрокосмической отрасли, но и для медицины — например, ударно-волновая терапия используется для лечения различных заболеваний опорно-двигательного аппарата. В 2025 году продолжаются активные исследования применения ударных волн в разных областях, включая разработку более эффективных систем защиты от взрывов и улучшение аэродинамических характеристик транспортных средств.