Со времени создания кафедры содержание и объем проводившихся ее сотрудниками научных исследований определялись запросами практики и актуальностью решаемых фундаментальных проблем. При этом традиционная тематика органично расширялась и дополнялась новыми задачами, обогащалась новыми методами исследования сложных течений газа. Под влиянием идей В.В.Голубева, Г.И.Петрова, Г.Г.Черного к 80-90-м годам сформировались следующие основные направления исследований:
2.1. Развитие теории пограничного слоя.
2.2. Гидродинамическая неустойчивость и переход к турбулентности.
2.3. Численные методы динамики вязкой жидкости.
1. Аэродинамика до- и сверхзвуковых потоков
Проблемы взаимодействия газовых сред с обтекаемыми телами на протяжении многих лет являлись предметом исследований коллектива кафедры. В последние десятилетия эти исследования были сосредоточены в основном на двух направлениях. Первое связано с математическим моделированием до- и трансзвукового обтекания крыловых профилей, второе - с научными разработками в области фундаментальных проблем сверхзвуковых и гиперзвуковых течений газа.
В рамках первого направления изучены следующие проблемы: обтекание профиля крыла в системе крыла дозвуковым и трансзвуковым потоком и вычисление аэродинамических коэффициентов; обтекание профиля в системе крыла и учет взаимного влияния элементов компоновки; решение обратных задач аэродинамики для определения профиля по заданным распределениям нагрузки или скорости потока по его поверхности; расчет пограничного слоя в условиях ламинарно-турбулентного обтекания с вычислением точки перехода; обтекание профилей с усложненными свойствами, такими, как наличие предкрылков и закрылков, проницаемости поверхности; расчет аэродинамических характеристик крыла при внесении конструктивных изменений и вариациях положения элементов компоновки; оптимизация профилировки крыла.
Дальнейшее развитие получили работы по теории несущей поверхности, результаты которых суммированы в монографии А.А.Зайцева "Теория несущей поверхности" [10].
В области фундаментальных проблем высокоскоростных течений газа значительное внимание на кафедре уделялось вопросам совершенствования формы быстро летящих тел с целью достижения оптимальных значений аэродинамических характеристик при различных совокупностях изопериметрических условий.
В середине 70-х годов стало ясно, что при сверхзвуковых скоростях только переход от тела вращения к эквивалентному телу с некруговым миделевым сечением может привести к значительному снижению аэродинамического сопротивления. Начало этому направлению было положено в работах Г.Г.Черного, А.Л.Гонора и других авторов. Результатом этих исследований явился новый объект - тела со звездообразным поперечным сечением и их частный случай - пирамидальные тела. Однако имевшиеся знания, базировавшиеся на ряде точных решений, результатах решения вариационных задач и отдельных экспериментах, не позволяли давать рекомендации по использованию летательных аппаратов подобной конфигурации.
Возникла необходимость в широких теоретических и экспериментальных исследованиях сверх- и гиперзвукового обтекания оптимальных пространственных тел, включающих изучение структуры возмущенного течения, свойств аэродинамических характеристик при различных режимах полета и наборах геометрических параметров и создание на этой основе достаточно простых и эффективных моделей расчета, позволяющих с достаточной точностью получать оценки аэродинамического сопротивления указанных тел и проводить их оптимизацию.
В комплексных теоретических и экспериментальных исследованиях основное внимание было уделено обтеканию конических пространственных конфигураций с плоскими гранями. В указанном классе форм обеспечивается осуществление основного свойства пространственных тел со звездообразным поперечным сечением - значительное снижение сопротивления по сравнению с эквивалентными телами вращения, а также получение обозримых результатов.
Обтекание тел с звездообразным поперечным сечением во многих случаях сопровождается образованием в возмущенной области системы ударных волн, взаимодействующих с пограничным слоем. Изучение эффектов, связанных с этим явлением, их закономерностей и влияния на аэродинамические характеристики пространственных тел составляет необходимую часть сформулированной проблемы.
Теоретически в рамках модели идеальной жидкости и экспериментально с использованием различных методов, в том числе - специального оптического метода для изучения иначе невидимых течений в угловых конфигурациях [11], исследовано обтекание составляющего элемента звездообразного тела - V-образного крыла на режиме сжатия и расширения возмущенного потока [12-14]. В частности, теоретически обнаружены и получили экспериментальное подтверждение топологически новые структуры конических линий тока с особенностями в ударном слое при наличии маховской конфигурации ударных волн. Показано, что при их реализации нагрузка на угловую конфигурацию в окрестности режимов обтекания с плоскими ударными волнами, лежащими в плоскости передних кромок и принадлежащими на передних кромках к сильному семейству, терпит разрыв. Построены новые типы ветвления ударных волн в конических течениях с висячими скачками уплотнения, обнаруженные в эксперименте. Обнаружены режимы автоколебаний, обусловленные отрывом пограничного слоя.
Экспериментально изучено и описано взаимодействие ударных волн с турбулентным пограничным слоем в конических течениях и его влияние на структуру течения в ударном слое и режимы обтекания. Установлена фундаментальная общность свойств отрыва турбулентного пограничного слоя в конических и плоских потоках. Построены эмпирические соотношения, позволяющие определять положение и размер области отрыва турбулентного пограничного слоя для широкого круга типов взаимодействия конических ударных волн и систем скачков уплотнения с пограничным слоем, а также прогнозировать глобальную перестройку структуры течения в конических угловых конфигурациях [13-15]. Эти результаты значительно опережают соответствующие зарубежные исследования.
Экспериментально изучены аэродинамические характеристики конических тел со звездообразным поперечным сечением при сверх- и гиперзвуковых скоростях. Определена роль каждого из параметров геометрии в снижении сопротивления звездообразных тел по сравнению с эквивалентными телами вращения. Определена область изменения параметров, где звездообразные тела обладают значительно меньшим полным сопротивлением по сравнению с эквивалентными конусами и оптимальными степенными телами вращения (Н.А.Остапенко [16,17]). За цикл работ "Аэродинамика звездообразных тел при сверхзвуковых скоростях" проф. А.Л.Гонор и доц. Н.А.Остапенко удостоены премии им. М.В.Ломоносова (1980).
Построена модель расчета полного сопротивления пирамидальных тел со звездообразным поперечным сечением, адекватно отражающая результаты экспериментальных исследований при сверх- и гиперзвуковых скоростях обтекания. Определена область ее справедливости для характерных параметров геометрии тела и различного состояния пограничного слоя, в которой модель может быть эффективно использована для постановки и решения оптимизационных задач [18-19].
Решение проблемы устойчивости полета пространственных тел, с учетом известных способов стабилизации, потребовало изучения ряда фундаментальных вопросов: о положении центра давления пространственных тел и его зависимости от условий полета; о возможности создания компоновок, обладающих запасом статической устойчивости без использования дополнительных стабилизирующих устройств, значительно снижающих преимущество в сопротивлении по сравнению с эквивалентными телами вращения; об аэродинамике оптимальных пространственных форм при их стабилизации вращением. Впервые поставлена задача о форме конических тел в сверхзвуковом потоке, положение центра давления которых не зависит от числа Маха и угла атаки. Найдены точные и приближенные решения, представляющие практический интерес. Построена теория конических пирамидальных тел со звездообразным поперечным сечением, обладающих максимальным запасом статической устойчивости при различных изопериметрических условиях. Получено экспериментальное подтверждение результатов теории, в том числе обнаруженного закона подобия, что позволяет рекомендовать найденные пространственные конфигурации в качестве формы устойчивого сверхзвукового летательного аппарата с малым сопротивлением и высокими несущими свойствами, обеспечивающими быстрое затухание колебаний тела около центра масс. Построена теория оптимальных пространственных тел минимального волнового сопротивления, вращающихся в гиперзвуковом потоке. Установлено, что оптимальные тела с принудительным вращением, обеспечивающим их гиростабилизацию, имеют меньшее сопротивление, чем эквивалентные тела без вращения, а при определенных наборах параметров могут обладать тягой [20-21].
Значительное место в современных научных разработках кафедры занимают работы по сверх- и гиперзвуковой аэродинамике несущих форм - тел, обладающих подъемной силой. Начало этим исследованиям было положено в работе Г.Г.Черного "Крылья в гиперзвуковом потоке" (ПММ, 1965), удостоенной премии им. М.В.Ломоносова первой степени, а затем продолжено в работах А.Л.Гонора и Н.А.Остапенко. В рамках гиперзвуковой теории, в частности, было показано, что переход от плоского треугольного крыла к V-образному крылу позволяет увеличить аэродинамическое качество при тех же удельном объеме и коэффициенте подъемной силы на 6-12% (Н.А.Остапенко [22-25]). Результаты, полученные в рамках гиперзвуковой теории идеального газа, нельзя было считать окончательными. Анализ составляющих аэродинамического сопротивления пирамидальных тел со звездообразным поперечным сечением, о чем было сказано выше, свидетельствовал, что оптимизация пространственных несущих форм при больших сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростях не может проводиться без учета реальных свойств газа в ударном слое. Работы Н.А.Остапенко в области сверх- и гиперзвуковой аэродинамики несущих форм получили широкое признание, в 1994 г. он награжден медалью П.Л.Капицы АЕН РФ.
Кроме исследований, связанных с выбором оптимальных форм аппаратов, летящих с большой скоростью, на кафедре выполнен цикл работ по сверхзвуковому обтеканию источников тепловыделения (К.В.Краснобаев, С.И.Арафайлов [26,27]), а также развита линейная теория обтекания крыловых профилей запыленным газом, изучено обтекание затупленных тел газовзвесью в широком диапазоне скоростей набегающего потока (А.Н.Осипцов [28-31]).
За цикл работ "Аэродинамика и волновые движения газов с инерционной дисперсной примесью" А.Н.Осипцов (совместно с В.А.Куликовским и И.С.Меньшовым) награжден медалью и премией АН СССР для молодых ученых (1988).
С использованием аналитических и численных методов выявлены новые физические эффекты взаимодействия газа с источником энерговыделения, сформулированы новые принципы формирования сверхзвуковых потоков с нужными для приложений свойствами, проведены расчеты влияния энергоподвода на аэродинамические характеристики быстро летящих тел. За цикл работ "Сверхзвуковое обтекание тел при наличии внешних источников энерговыделения" проф. К.В.Краснобаеву (совместно с В.А.Левиным и П.Ю.Георгиевским) присуждена премия им. М.В.Ломоносова первой степени (1991).
Учет присутствия дисперсных частиц в газовых потоках позволил выявить новые качественные закономерности течений двухфазных сред. В частности, при обтекании крылового профиля наличие дисперсной примеси способно приводить к возникновению значительных дестабилизирующих аэродинамических моментов, которые при определенных условиях действуют в сторону уменьшения угла атаки. Путем анализа теплообмена в газовзвесях и парокапельных средах обнаружен подтвержденный экспериментально эффект резкой интенсификации теплообмена за счет накопления малоинерционных дисперсных частиц в пограничном слое. Показана возможность эффективного управления параметрами теплообмена с помощью двухфазного вдува на обтекаемой поверхности. В задаче о подъеме пыли за движущимися ударными волнами предсказано формирование слоев высокой концентрации дисперсных частиц в пристеночной области за ударной волной, что необходимо учитывать при оценке взрывобезопасности промышленных пылей. Предложен новый лагранжев метод расчета течений сред, описываемых уравнениями континиума без собственных напряжений. Метод основан на привлечении дополнительных уравнений для компонент якобиана перехода от эйлеровых к лагранжевым переменным, тем самым позволяя рассчитывать все параметры среды (включая плотность) из решения обыкновенных дифференциальных уравнений на фиксированных траекториях.