Медицинский факультет университета Британской Колумбии еще в 1990 году выдал некоему канадцу Марку Хаббарду справку, что громкость его храпа достигает 90 децибел (мировой рекорд, между прочим!). Это соответствует реву гоночного автомобиля. Но, оказывается, сегодня существует специальная наука, которая занимается изучением возникновения шума в потоках куда более интенсивных, чем поток воздуха из чемпионских легких Хаббарда. Например, в реактивных струях современных авиалайнеров. Об этой интереснейшей области исследований в беседе с корреспондентом "НГ" рассказывает один из ведущих отечественных специалистов по аэроакустике, доктор физико-математических наук, профессор, заместитель по науке начальника Акустического отделения ЦАГИ, руководитель сектора теоретических проблем аэроакустики Виктор Копьев.

- 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....