Ударные волны не должны быть шокирующими — инженеры в разных областях науки должны уметь точно предсказывать, как мгновенные и сильные изменения давления возникают и рассеиваются, чтобы предотвратить повреждения. И теперь, благодаря команде из Йокогамского национального университета, эти прогнозы стали ещё точнее.
В работе, опубликованной 19 августа в журнале [Physics of Fluids](https://doi.org/10.1063/5.0282374), исследователи подробно рассказали, как вычислительные модели, используемые для имитации поведения ударных волн, представляют очень слабые ударные волны совершенно иначе, чем теоретические прогнозы и физические измерения.
Ударные волны: что это?
Ударные волны — это давление, которое распространяется от взрыва или от объекта, движущегося быстрее звука, например, от сверхзвукового самолёта. Слабые ударные волны — это те же изменения давления, плотности и скорости, но они намного меньше, чем большие волны, и движутся ближе к скорости звука. Однако современные подходы к компьютерному моделированию с трудом точно представляют эти очень слабые ударные волны, согласно соавтору исследования Кейити Китамуре, профессору инженерного факультета Йокогамского национального университета.
«Ударные волны вызывают мгновенное сжатие, приводящее к увеличению энтропии; таким образом, точные вычисления потоков, включающих ударные волны, имеют решающее значение», — сказал Китамура.
Энтропия относится к беспорядку, который, вопреки ожидаемому физическому поведению, увеличивается по мере движения волны. Этот беспорядок лежит в основе моделирования ударных волн, по словам Китамуры.
Проблемы моделирования
Обычные вычислительные подходы классифицируют очень слабые ударные волны как диффузные, но этот ярлык не учитывает более тонкие переменные волны, особенно при её движении.
«Методы конечных объёмов обычно используются для устранения разрывов в [численных симуляциях], поскольку они могут сохранять переменные даже при ударных разрывах», — сказал Китамура, объясняя, что методы конечных объёмов относятся к определённому числу ячеек, используемых в вычислительном представлении. «Однако вычисление ударных волн с помощью методов конечных объёмов не всегда стабильно и при определённых условиях представляет сложности из-за их разрывного характера».
Режимы конечного состояния
В анализе, направленном на понимание специфических свойств численно представленных ударных волн, исследователи обнаружили, что конечное состояние движущейся ударной волны можно разделить на три режима: диссипированный, переходный и тонко захваченный.
«Эта работа определила механизм диффузных слабых ударов — он был вызван процессом генерации энтропии в численно выраженных ударных волнах», — сказал Китамура. «Наши выводы помогут преодолеть разрыв в понимании между теоретическими и физическими слабыми ударными волнами, что потенциально может способствовать созданию более безопасных, экономичных и точных конструкций будущих ракет и сверхзвуковых самолётов».
Гаку Фукусима, постдокторант кафедры машиностроения в Университете Шербрук в Канаде, выступил в качестве соответствующего автора этой статьи. На момент исследования Фукусима был постдокторантом Общества содействия развитию науки в Японии в Йокогамском национальном университете.
Предоставлено: [Yokohama National University](https://phys.org/partners/yokohama-national-university/)