Охота на звуковые фантомы

На снимке: результат компьютерного моделирования турбулентного потока.
Источник: aer.mv.tum.de

– Виктор Феликсович, когда я учился в институте, у нашего преподавателя по тепломассообмену была любимая присказка: «Если кто-нибудь скажет вам, что он знает, как течет вода в трубе, – не верьте ему!» Этим он хотел подчеркнуть, что описание движения воды в трубе – это больше эмпирика, чем аналитические зависимости. Особенно если это касается проблем турбулентного, с завихрениями и перемешиванием течения. Что-нибудь изменилось в последние годы в теории турбулентности?

– Ситуация продолжает оставаться болезненной, загадочной даже. Раз в четыре года проводится международный конгресс по теоретической и прикладной механике (ICTAM). В 2000 году такой конгресс, юбилейный, знаковый кстати, проводился в Чикаго. И лейтмотивом его работы стала следующая фраза: единственная физическая проблема, которая была поставлена в XIX веке и не была решена в XX, – проблема турбулентности. Очень много выдающихся ученых занимались этой проблемой: Гейзенберг, Рэлей, Ландау, Колмогоров и многие другие. Тем не менее проблема остается нерешенной.

Область, которой я занимаюсь, – аэроакустика, наука, лежащая на стыке акустики и аэродинамики, направленная на исследование генерации шума аэродинамическими потоками, и прежде всего турбулентности. Основные модельные задачи здесь не решены даже близко, а часто и не поставлены. А ведь фундамент аэроакустики – турбулентность. Причем не просто турбулентность, а основные причины ее развития, динамика отдельных образований.

– Вы сказали, что основополагающие, причинные вещи до сих пор не поняты как механизмы. А какие это проблемы?

– Сколько существует видов течений, столько существует и теорий турбулентности. Еще в прошлом веке в конце 60-х годов была организована так называемая Стэнфордская группа по турбулентности пограничных слоев. Были выделены базовые течения: обтекание уступа, течение в трубах и так далее. По этим модельным течениям проделаны уникальные по точности эксперименты. В дальнейшем разные команды пытались численно описать полученные результаты, используя свои модели турбулентности. Были установлены критерии работоспособности различных моделей в той или иной задаче. Эти результаты являются исключительно востребованными в инженерных расчетах и составляют основную базу коммерческих расчетных пакетов в аэродинамике. Так вот главный вопрос: какую именно модель выбрать для описания нового течения?

– То есть были получены эмпирические зависимости?

– Не совсем эмпирические, потому что в них заложены определенные физические концепции – передачи энергии из одних масштабов в другие, например. Но так или иначе эта часть связана с представлениями о турбулентности как о некоей «каше». Тем не менее если мы имеем дело не просто с пассивной субстанцией – «кашей», а с ревущей струей реактивного двигателя, то она пронизана крупными вихревыми образованиями. Это так называемые крупномасштабные когерентные структуры. Получается, что само турбулентное движение есть в большой степени движение крупных вихрей.При этом в каждой точке потока пульсации случайные (отсюда, собственно, и возникает представление о турбулентности как о равномерно перемешанной «каше»). Тем самым выпадают динамические характеристики важнейших структурных элементов турбулентности – крупномасштабных вихрей. Если они существенны, то как тогда быть?

Но, может быть, правильнее выделить отдельные образования, рассмотреть их динамику, их статистику. Например, если говорить о динамических структурах в струях, то образ, который здесь возникает, – это вихревые кольца, которые могут быть рассмотрены как самостоятельные физические объекты. Бытовой, если можно так сказать, пример: вихревое кольцо могут создать курильщики; из выхлопных труб автомобилей тоже вылетают вихревые кольца. Атомный взрыв – это тоже вихревое кольцо, поднимающееся вверх. Кстати, вихревое кольцо при ядерном взрыве довольно близко к турбулентному вихревому кольцу в струях. Так вот теория, описывающая возникновение турбулентности в отдельном вихревом кольце и генерацию им шума была разработана недавно, и наша исследовательская группа принимала в этом активное участие. Я надеюсь, это поможет найти и численные, и теоретические подходы к проблемам аэроакустики и, возможно, турбулентности в целом.

– Так что такое это самое – «вихревое кольцо»?

– Грубо говоря, это бублик, в котором сосредоточена завихренность. Бублик этот в силу уравнений динамики обладает определенной упругостью и способен поддерживать множество различных колебаний. Он движется в пространстве, окруженный эллипсоидальной оболочкой (так называемой атмосферой кольца). Оказывается, что вся оболочка заполнена турбулентной жидкостью, а само ядро остается ламинарным, невозмущенным, перемешивания в нем нет. Граница между ламинарным и турбулентным течениями – резкая. И это удивительно для замкнутого объекта! Кстати, и на компьютере это пока не рассчитывается, хотя такие попытки были.

По нашему мнению, это течение является ключевым и в аэроакустике. Поскольку шум «сидит» необязательно на наиболее интенсивных пульсациях, а на скореллированных по пространству, иногда очень слабых возмущениях. Даже в отдельном вихре шум связан с ничтожными колебаниями ядра, а не с видимыми турбулентными пульсациями в оболочке (кстати, тоже вызванными колебаниями ядра). Для вихревых колец у нас в ЦАГИ были поставлены уникальные эксперименты, в которых мы измеряли шум отдельно летящих вихрей. Это дало возможность проверить основной сценарий теории, поскольку в этом контексте шум является уникальным бесконтактным методом диагностики турбулентности и механизма ее возникновения.

– То есть этот «бублик», помимо того, что он имеет сложную структуру, еще и шумит?!

– Да. Кстати, это нетривиальный вопрос – а почему он шумит? Шум кольца напоминает свист пролетающей мимо пули. Согласно классическим представлениям, спектр его шума должен быть широкополосным – летит же заполненный турбулентностью эллипсоид, а там все частоты, все масштабы присутствуют. А спектр, оказывается, имеет четко выраженный пик, некий горб шириной порядка 300 Герц. Поэтому обычные представления для понимания механизма генерации шума в таком объекте не годятся. В турбулентной струе таких вихрей – миллионы, они живут, саморазрушаются, взаимодействуют друг с другом. Здесь – целая иерархия механизмов, и излучение собственно вихрем – один из них.

– Как заметил кто-то из ученых, «теория не кормит, но без нее не прожить»┘

– Наука всегда отталкивалась от этого: сначала выделение элементарных объектов, затем их анализ, который дает начальное понимание. В нашем случае – это вихревые кольца, волны неустойчивости, их взаимодействия и т.д. Почему-то сейчас это непопулярно.

Если говорить о мировоззренческой стороне проблемы, то наука сейчас находится в большой опасности. Ведь сегодня главное внимание уделяется именно компьютерным вычислениям. Внимания к аналитическим и асимптотическим подходам уделяется все меньше, и это во всем мире так.

– Самое настоящее искушение терафлопами! Появился даже новый научный термин – вычислительный эксперимент┘

– Это очень хороший термин, показывающий, что мы на самом деле хотим от вычислений. Мы хотим, попросту говоря, экспериментальной установки на рабочем столе для быстрой проверки возникающих гипотез, в том числе и уточнения тех особенностей течений, которые невозможно померить в принципе. Однако одновременно с этим термином появился и другой – numerical explanation, численное объяснение. В чем здесь опасность?

Дело в том, что код программы сам по себе ничего не может объяснить, он не задает вопросы к мирозданию. Он может только подтвердить или опровергнуть некоторые теоретические представления (или даже предчувствия), которые есть у исследователя. Именно их должен генерировать ученый, а эксперимент (пусть и вычислительный эксперимент) – проверять и отвергать негодные идеи. А на конференциях чаще всего нам представляют просто результаты этого numerical explanation: посмотрите, мол, как все красиво получилось. Но эти «кубометры» вычислений должны еще доказать на простых физических экспериментах свою адекватность физическим процессам. Тогда это будет действительно вычислительный эксперимент и действительно мощнейший инструмент.

Но с точки зрения фундаментальных проблем – это инструмент все-таки вспомогательный – именно теория обобщает отдельные данные в цельную картину, помогает строить модели и находить способы воздействия и управления.

Вычленение отдельных механизмов, образов, понятий, проверка их – с помощью физического эксперимента, численного эксперимента, – вот обычный, традиционный и единственный путь физики.

– Говоря о вихревых кольцах, вы несколько раз связали проблему их теоретического описания с проблемой возникновения шума и борьбы с этим явлением. Вот даже оказывается, вихревые кольца имеют некий пик в своем шумовом спектре┘ А насколько это существенно для практического использования?

Вопрос можно сформулировать и так: существенны эти вихри с точки зрения шумового воздействия или несущественны?

– Общепринятая сейчас точка зрения такая: сами по себе эти вихри не излучают шум; но тем не менее разрушить их было бы полезно, так как за счет вторичного воздействия шум все-таки снижается. Но совсем недавно, правда в весьма искусственной ситуации, удалось впервые количественно оценить вклад вихрей в суммарный шум струи. Он оказался порядка пятидесяти процентов. Это – три децибела. За снижение шума на один децибел конструкторы и инженеры борются ого-го как!

– А в практике где это встречается?

– В сверхзвуковых потоках. Шум сверхзвуковой струи не связан с вихревыми кольцами. В идеальной круглой сверхзвуковой струе шум связан с так называемыми волнами неустойчивости. Это достоверно установлено в очень красивых экспериментах. Волны неустойчивости во многом проще вихревых колец, поскольку шум напрямую связан с их амплитудой. Поэтому для того, чтобы снижать шум сверхзвуковой струи, нужно снижать амплитуду волн неустойчивости, и вихри здесь ни при чем.

Самолеты сейчас настолько тихие, что существенным становится даже обтекание плохообтекаемых поверхностей, скажем, шасси на посадке или закрылок. Снизить шум обтекания шасси – это значит убрать несколько децибел. А это, в свою очередь, дополнительный мощный аргумент в конкурентной борьбе.

– Неужели все так серьезно? Ведь при посадке самолета скорости настолько малы, что говорить о шуме от обтекания шасси, кажется, не приходится?

– Попробуйте в автомобиле на большой скорости высунуть из окна руку – все сразу услышите. В 6-й Рамочной программе Европейского союза по научным исследованиям и технологическому развитию (2000–2006 гг.) на последний конкурс по аэроакустике было подано шесть проектов. Каждый проект – это обычно десятки институтов и организаций, которые заняты в разработке определенной проблемы. Получил поддержку только один – связанный с шумом обтекания шасси.

С физической точки зрения это тоже шум турбулентности, только возле твердой поверхности. Здесь возникают совершенно другие механизмы: как излучает турбулентность около поверхности, как управлять этим шумом.

– И вы смогли подсказать конструкторам, инженерам какие-то решения?

– Мы даже патенты оформили. И эта ситуация великолепно иллюстрирует очень простую истину: путь от фундаментальных понятий до технических решений может быть исключительно коротким. Шум при обтекании цилиндров, по всем общепринятым представлениям, связан с силовым воздействием потока на поверхность. То есть источник шума локализован на поверхности этого тела. Мы же установили, кстати, совершенно случайно, что источник шума сдвинут по потоку и находится далеко от поверхности шасси. Это настолько невозможно, что, когда мы поняли, что это не экспериментальная ошибка, выбор был прям и прост – либо мы поймем, в чем здесь дело, либо нам всем нужно уходить из аэроакустики.

– То есть это как будто виртуальный источник шума, звуковой фантом?

– Да, мы видим источник шума, который находится не на поверхности цилиндра, он сдвинут в пространство и как бы «висит в воздухе». Это поначалу казалось полным бредом. Но этот звуковой фантом наглядно проявил совсем другой механизм излучения звука в этой ситуации. Не вдаваясь в физические подробности, можно сказать: звук оказался связан с условиями отражения от криволинейной поверхности. Отсюда следует, что, для того чтобы снизить шум, можно не менять турбулентность в следе, а только изменить условия отражения. Эксперименты с этими цилиндрами дали потрясающие результаты – 7–10 децибел снижения шума в широкой полосе! Просто из-за того, что мы по-другому взглянули на звукообразование в этой ситуации.