Том 37, номер 08, статья № 3

Аннотация:

Исследуется влияние отклонений от модели Колмогорова–Обухова в спектрах флуктуаций показателя преломления в сверхзвуковом воздушном потоке на просвечивающее оптическое излучение. Представлены аналитические оценки статистических моментов поля и результаты численного моделирования распространения лазерного излучения через скоростной воздушный поток, формирующийся при обтекании летательного аппарата. Проводится сопоставление оценок радиуса когерентности и относительной дисперсии флуктуаций интенсивности оптической волны. Продемонстрировано, что учет отклонений от модели развитой турбулентности может приводить к существенным (в несколько раз) изменениям характеристик лазерного пучка на удалении уже в несколько сотен метров. Полученные результаты могут быть использованы для определения искажений излучения, обусловленных влиянием турбулентности в оптически активном слое вблизи поверхности сверхзвукового летательного аппарата, на локационных и связных трассах.

Ключевые слова:

высокоскоростной турбулентный поток, неколмогоровский спектр, просвечивание, функция когерентности, флуктуации интенсивности

Список литературы:

1. Courant R., Friedrichs K.O. Supersonic Flow and Shock Waves. New York: Springer, 1976. 464 p.
2. Smits A.J., Dussauge J.-P. Turbulent Shear Layers in Supersonic Flow. New York: AIP Press, 1996. 357 p.
3. Бойко В.М., Достовалов А.В., Запрягаев В.И., Кавун И.Н., Киселев Н.П., Пивоваров А.А. Исследование структуры сверхзвуковых неизобарических струй // Ученые записки. ЦАГИ. 2010. Т. 41. С. 44–57.
4. Банах В.А., Сухарев А.А., Фалиц А.В. Дифракция оптического пучка на ударной волне, возникающей вблизи сверхзвукового летательного аппарата // Оптика атмосф. и океана. 2013. Т. 26, № 11. С. 932–941.
5. Kovasznay L.S.G. Turbulence in supersonic flow // J. Aeronaut. Sci. 1953. V. 20, N 10. P. 657–674.
6. Morkovin M.V. Effects of compressibility on turbulent flows // Mécanique de la Turbulence, Colloques Internationaux du Centre National de la Recherche Scientifique, No. 108. Paris: CNRS, 1962. P. 367–380.
7. Sutton G.W., Hwang Y., Pond J., Snow R. Hypersonic interceptor aero-optics performance predictions // J. Spacecraft Rockets. 1994. V. 31, N 4. P. 592–599.
8. Pade O., Frumker E., Rojt P.I. Optical distortions caused by propagation through turbulent shear layers // Proc. SPIE. 2004. V. 5237. P. 31–38. DOI: 10.1117/12.510945.
9. Henriksson M., Edefur H., Fureby C., Parmhed O., Peng S.-H., Sjöqvist L., Tidström J., Wallin S. Simulation of laser propagation through jet plumes using computational fluid dynamics // Proc. SPIE. 2013. V. 8898. P. 88980E-1–88980E-13. DOI: 10.1117/12.2028339.
10. Татарский В.И. Распространение волн в турбулентной атмосфере. М.: Наука, 1967. 548 с.
11. Ryu J., Livescu D. Turbulence structure behind the shock in canonical shock–vortical turbulence interaction // J. Fluid Mech. 2014. V. 756. P. R1-1–R1-13. DOI: 10.1017/jfm.2014.477.
12. Quadros R., Sinha K., Larsson J. Turbulent energy flux generated by shock/homogeneous turbulence interaction // J. Fluid Mech. 2016. V. 796. P. 113–157. DOI: 10.1017/jfm.2016.236.
13. Huete C., Cuadra A., Vera M., Urzay J. Thermochemical effects on hypersonic shock waves interacting with weak turbulence // Phys. Fluids. 2021. V. 33. P. 086111-1–086111-16. DOI: 10.1063/5.0059948.
14. Thakare P., Nair V., Sinha K. A weakly nonlinear framework to study shock–vorticity interaction // J. Fluid Mech. 2022. V. 933. P. A48-1–A48-32. DOI: 10.2514/6.2022-4051.
15. Носов В.В., Ковадло П.Г., Лукин В.П., Торгаев А.В. Атмосферная когерентная турбулентность // Оптика атмосф. и океана. 2012. Т. 25, № 9. С. 753–759; Nosov V.V., Kovadlo P.G., Lukin V.P., Torgaev A.V. Atmospheric coherent turbulence // Atmos. Ocean. Opt. 2013. V. 26, N 3. P. 201–206.
16. Носов В.В., Лукин В.П., Ковадло П.Г., Носов Е.В., Торгаев А.В. Оптические свойства турбулентности в горном пограничном слое атмосферы. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2016. 153 с.
17. Маракасов Д.А., Сазанович В.М., Сухарев А.А., Цвык Р.Ш. Флуктуации интенсивности лазерного пучка, распространяющегося через сверхзвуковую затопленную струю // Оптика атмосф. и океана. 2012. Т. 25, № 11. С. 985–992; Marakasov D.A., Sazanovich V.M., Sukharev A.A., Tsvyk R.Sh. Intensity fluctuations of a laser beam propagating through a supersonic flooded jet // Atmos. Ocean. Opt. 2013. V. 26, N 3. P. 233–240.
18. Сухарев А.А. Аэрооптические эффекты, обусловленные обтеканием оживального тела сверхзвуковым потоком воздуха // Оптика атмосф. и океана. 2018. Т. 31, № 11. С. 917–922. DOI: 10.15372/AOO20181110; Sukharev A.A. Aeroptical effects caused by supersonic airflow around an ogival body // Atmos. Ocean. Opt. 2019. V. 32, N 2. P. 207–212.
19. Menter F.R. Review of the SST Turbulence model experience from an industrial perspective // Int. J. Comput. Fluid Dyn. 2009. V. 23, N 4. P. 305–316. DOI: 10.1080/10618560902773387.
20. Schobeiri M.T. Turbomachinery Flow Physics and Dynamic Performance. Berlin, Heidelberg: Springer, 2012. 725 p.
21. Yoshizawa A. Simplified statistical approach to complex turbulent flows and ensemble-mean compressible turbulence modeling // Phys. Fluids. 1995. V. 7, N 12. P. 3105–3116. DOI: 10.1063/1.868754.
22. Marakasov D.A., Sazanovich V.M., Tsvyk R.Sh., Shesternin A.N. Transformation of spectra of refraction index fluctuations in axisymmetric supersonic jet with the increase in the distance from the nozzle // MATEC Web Conf. 2017. V. 115. P. 02005-1–02005-5. DOI: 10.1051/matecconf/201711502005.
23. Toselli I., Gladysz S. Equivalent refractive-index structure constant of non-Kolmogorov turbulence: Comment // Opt. Express. 2022. V. 30. P. 40965–40967. DOI: 10.1364/OE.462690.
24. Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах. Т. 2. М.: Мир, 1981. 280 с.
25. Абрамовиц М., Стиган И. (ред.) Справочник по специальным функциям с формулами, графиками и математическими таблицами. М.: Наука, 1979. 832 с.
26. Li Y., Zhu W., Wu X., Rao R. Equivalent refractive-index structure constant of non-Kolmogorov turbulence // Opt. Express. 2015. V. 23, N 18. P. 23004–23012. DOI:10.1364/OE.462690.
27. Gladstone J.H., Dale T.P. Researches on the refraction, dispersion, and sensitiveness of liquids // Phil. Trans. R. Soc. Lond. 1863. V. 153. P. 317–343.
28. Toselli I., Gladysz S. On the general equivalence of the Fried parameter and coherence radius for non-Kolmogorov and oceanic turbulence // OSA Continuum. 2019. V. 2. P. 43–48.
29. Tan L., Du W., Ma J., Yu S., Han Q. Log-amplitude variance for a Gaussian-beam wave propagating through non-Kolmogorov turbulence // Opt. Express. 2010. V. 18, N 2. P. 451–462. DOI: 10.1364/OE.18.000451.