Vladimir Sergeevich Abramov, Mikhail Nikolaevich Petrov
{"title":"Application of the Dynamic Mode Decomposition in search of unstable modes in laminar-turbulent transition problem","authors":"Vladimir Sergeevich Abramov, Mikhail Nikolaevich Petrov","doi":"10.20537/2076-7633-2023-15-4-1069-1090","DOIUrl":null,"url":null,"abstract":"Ламинарно-турбулентный переход является предметом активных исследований, связанных с повышением экономической эффективности авиатранспорта, так как в турбулентном пограничном слое увеличивается сопротивление, что ведет к росту расхода топлива. Одним из направлений таких исследований является поиск эффективных методов нахождения положения перехода в пространстве. Используя эту информацию при проектировании летательного аппарата, инженеры могут прогнозировать его технические характеристики и рентабельность уже на начальных этапах проекта. Традиционным для индустрии подходом к решению задачи поиска координат ламинарно-турбулентного перехода является eN-метод. Однако, несмотря на повсеместное применение, он обладает рядом существенных недостатков, так как основан на предположении о параллельности моделируемого потока, что ограничивает сценарии его применения, а также требует проводить вычислительно затратные расчеты в широком диапазоне частот и волновых чисел. Альтернативой eN-методу может служить применение метода Dynamic Mode Decomposition, который позволяет провести анализ возмущений потока, напрямую используя данные о нем. Это избавляет от необходимости в проведении затратных вычислений, а также расширяет область применения метода ввиду отсутствия в его построении предположений о параллельности потока. В представленном исследовании предлагается подход к нахождению положения ламинарно-турбулентного перехода с применением метода Dynamic Mode Decomposition, заключающийся в разбиении региона пограничного слоя на множества подобластей, по каждому из которых независимо вычисляется точка перехода, после чего результаты усредняются. Подход валидируется на случаях дозвукового и сверхзвукового обтекания двумерной пластины с нулевым градиентом давления. Результаты демонстрируют принципиальную применимость и высокую точность описываемого метода в широком диапазоне условий. Проводится сравнение с eN-методом, доказывающее преимущества предлагаемого подхода, выражающиеся в более быстром получении результата при сопоставимой с eN-методом точности получаемого решения, что говорит о перспективности использования описываемого подхода в прикладных задачах.","PeriodicalId":37429,"journal":{"name":"Computer Research and Modeling","volume":null,"pages":null},"PeriodicalIF":0.0000,"publicationDate":"2023-08-01","publicationTypes":"Journal Article","fieldsOfStudy":null,"isOpenAccess":false,"openAccessPdf":"","citationCount":"0","resultStr":null,"platform":"Semanticscholar","paperid":null,"PeriodicalName":"Computer Research and Modeling","FirstCategoryId":"1085","ListUrlMain":"https://doi.org/10.20537/2076-7633-2023-15-4-1069-1090","RegionNum":0,"RegionCategory":null,"ArticlePicture":[],"TitleCN":null,"AbstractTextCN":null,"PMCID":null,"EPubDate":"","PubModel":"","JCR":"Q4","JCRName":"Computer Science","Score":null,"Total":0}
引用次数: 0
Abstract
Ламинарно-турбулентный переход является предметом активных исследований, связанных с повышением экономической эффективности авиатранспорта, так как в турбулентном пограничном слое увеличивается сопротивление, что ведет к росту расхода топлива. Одним из направлений таких исследований является поиск эффективных методов нахождения положения перехода в пространстве. Используя эту информацию при проектировании летательного аппарата, инженеры могут прогнозировать его технические характеристики и рентабельность уже на начальных этапах проекта. Традиционным для индустрии подходом к решению задачи поиска координат ламинарно-турбулентного перехода является eN-метод. Однако, несмотря на повсеместное применение, он обладает рядом существенных недостатков, так как основан на предположении о параллельности моделируемого потока, что ограничивает сценарии его применения, а также требует проводить вычислительно затратные расчеты в широком диапазоне частот и волновых чисел. Альтернативой eN-методу может служить применение метода Dynamic Mode Decomposition, который позволяет провести анализ возмущений потока, напрямую используя данные о нем. Это избавляет от необходимости в проведении затратных вычислений, а также расширяет область применения метода ввиду отсутствия в его построении предположений о параллельности потока. В представленном исследовании предлагается подход к нахождению положения ламинарно-турбулентного перехода с применением метода Dynamic Mode Decomposition, заключающийся в разбиении региона пограничного слоя на множества подобластей, по каждому из которых независимо вычисляется точка перехода, после чего результаты усредняются. Подход валидируется на случаях дозвукового и сверхзвукового обтекания двумерной пластины с нулевым градиентом давления. Результаты демонстрируют принципиальную применимость и высокую точность описываемого метода в широком диапазоне условий. Проводится сравнение с eN-методом, доказывающее преимущества предлагаемого подхода, выражающиеся в более быстром получении результата при сопоставимой с eN-методом точности получаемого решения, что говорит о перспективности использования описываемого подхода в прикладных задачах.
期刊介绍:
The journal publishes original research papers and review articles in the field of computer research and mathematical modeling in physics, engineering, biology, ecology, economics, psychology etc. The journal covers research on computer methods and simulation of systems of various nature in the leading scientific schools of Russia and other countries. Of particular interest are papers devoted to simulation in thriving fields of science such as nanotechnology, bioinformatics, and econophysics. The main goal of the journal is to cover the development of computer and mathematical methods for the study of processes in complex structured and developing systems. The primary criterion for publication of papers in the journal is their scientific level. The journal does not charge a publication fee. The decision made on publication is based on the results of an independent review. The journal is oriented towards a wide readership – specialists in mathematical modeling in various areas of science and engineering. The scope of the journal includes: — mathematical modeling and numerical simulation; — numerical methods and the basics of their application; — models in physics and technology; — analysis and modeling of complex living systems; — models of economic and social systems. New sections and headings may be included in the next volumes.