Метод вихревых частиц (VPM) — это перспективный способ моделирования течений без использования сетки. Он особенно хорош для расчета нестационарных вихревых следов, которые оставляют за собой самолеты, винты и ветряки. В отличие от традиционных методов вычислительной гидродинамики, VPM работает быстрее, меньше «размазывает» вихри и не требует жестких ограничений на шаг по времени. Но у классического VPM есть серьезный недостаток — он часто „ломается“ при моделировании сложных течений. Причины — искажение частиц, накопление ошибок в поле завихренности и неточный учет турбулентного рассеяния. Из-за этого метод плохо справляется с течениями при высоких числах Рейнольдса и резких перепадах скорости.

Число Рейнольдса — безразмерный параметр, который показывает, какая сила в течении преобладает: вязкость (если число маленькое) или инерция (если большое). Например, обтекание мухи — низкое число Рейнольдса (вязкость важнее), а у Boeing 747 — высокое (инерция правит бал).

Китайские исследователи из Северо-Западного политехнического университета под руководством Миня Чана усовершенствовали VPM, добавив в него три ключевых компонента:

• Переформулированный VPM (RVPM) — теперь метод строго сохраняет момент импульса, что делает расчеты стабильнее.
• Схему релаксации — она подавляет «расползание» вихрей и держит поле завихренности в узде.
• Модель мелкомасштабной турбулентности (SGS) — учитывает влияние вихревого переноса и растяжения на диссипацию.

Новый метод назвали SEVPM (Stability-enhanced VPM). В статье, опубликованной в издании Chinese Journal of Aeronautics, ученые показали, что их подход отлично справляется с течениями, которые раньше были для VPM непосильны: эволюция вихревых колец, их перескакивание друг через друга, турбулентные струи.

Инженеры бились головой о стену, пытаясь промоделировать сдвиговую турбулентность в струях или за винтами старым VPM. Мы эту стену снесли, — говорит Сяосюань Мэн, ведущий автор работы.

Следующий шаг — проверить SEVPM на еще более сложных задачах: взаимодействие нескольких винтов, динамика следа за ветряками, другие практические задачи авиации и энергетики.

Мы хотим, чтобы точный расчет турбулентности стал таким же рутинным, как прочностной анализ, — говорит Минь Чан. — Это откроет дорогу к более умным и экологичным летательным аппаратам и энергосистемам.

Главная ценность работы — в практической применимости. SEVPM позволяет:

• Дешевле считать аэродинамику — меньше вычислительных ресурсов, чем у сеточных методов.
• Точнее предсказывать вихревые следы — это критично для безопасности полетов (например, при взлете-посадке) и эффективности ветряков.
• Моделировать ранее недоступные сценарии — например, взаимодействие винтов в мультикоптерах или обледенение лопастей.

В долгосрочной перспективе это может привести к оптимизации конструкций  (меньше шума, выше КПД) и снижению стоимости расчетов при проектировании.

Метод все еще требует валидации в реальных условиях. Пока проверки проводились на модельных задачах, а не на экспериментальных данных (например, замерах в аэродинамической трубе). Кроме того, SGS-модель — это всегда компромисс между точностью и скоростью: как она поведет себя в экстремальных режимах (срывные течения, сверхзвуковые струи), пока неясно.

Ранее мы писали о том, что ИИ становится соавтором открытий.