Главная – Журналы – Теплофизика и аэромеханика 2016 номер 4

В работе представлены результаты прямого численного моделирования турбулентных течений степенных жидкостей в круглой трубе. Выполнены две серии расчетов течений степенного флюида для обобщенных чисел Рейнольдса 10000 и 20000. Расчеты проведены для пяти индексов жидкости от 0,4 до 1. Получены данные о распределениях компонент тензора турбулентных напряжений, осредненной вязкости, пульсаций вязкости и анизотропии турбулентности. Предсказанный численно эффект падения сопротивления для степенных жидкостей хорошо согласуется с экспериментальной корреляцией. Турбулентное течение неньютоновских степенных жидкостей демонстрирует бóльшую анизотропию тензора рейнольдсовых напряжений по сравнению с ньютоновской средой. С уменьшением индекса жидкости степень анизотропии растет. Увеличивающаяся от стенки к центру течения вязкость приводит к демпфированию распространения пульсаций от области их генерации вглубь течения. Наблюдается подавление механизма переноса энергии от аксиальных пульсаций к поперечным, что приводит к доминированию пульсаций в направлении течения.

Разработан алгоритм расчета динамической податливости многослойных покрытий. Модуль податливости и фазовое отставание перемещения поверхности покрытия от действующего давления зависят от вязкоупругих свойств материалов, отношения длины волны к толщине слоя l / H и отношения скорости волны к скорости распространения сдвиговых колебаний в базовом слое _{Проведен расчет динамической податливости двухслойного покрытия, состоящего из толстого базового слоя и тонкого прочного внешнего слоя. Модуль упругости внешнего слоя варьировался до восьмикратного значения модуля упругости внутреннего слоя, при этом плотность внешнего слоя оставались либо равной плотности внутреннего слоя, либо увеличивалась пропорционально модулю упругости. В зависимости от величины выделены два сценария взаимодействия податливого покрытия с турбулентным потоком ¾ резонансное и широкополосное. Показано, что колебательные свойства двухслойных покрытий могут быть существенно лучше, чем у однослойных. Это позволяет либо увеличить прочность покрытий, либо эффективно работать на более низких скоростях.}

В работе приводится описание численного решения задачи о форме головной ударной волны перед затупленными и острыми осесимметричными головными частями тела в виде сферы, затупленного конуса и острого конуса в стационарном трансзвуковом течении в диапазоне чисел Маха от 1,01 до 1,2. Для верификации результатов моделируются одна сфера и три затупленных конуса и расстояние между отошедшей ударной волной и телом сравнивается с данными других экспериментальных и численных исследований. Затем рассчитывается обтекание других головных частей с аналогичными геометрическими параметрами и полученные результаты сравнивается друг с другом. В настоящем исследовании решаются осредненные по Рейнольдсу уравнения Навье-Стокса с использованием модели турбулентности Спаларта-Аллмареса. Целью исследования является определение расстояния между отошедшей ударной волной и затупленными и острыми головными частями тел при низкой сверхзвуковой скорости свободного полета. Расстояние между отошедшей ударной волной и телом определяется из кривой числа Маха на линии симметрии. Настоящие численные расчеты проведены при уменьшении числа Маха вплоть до M_∞ = 1,01, при котором экспериментальные исследования вызывают затруднения. Полученные данные о положении ударной волны хорошо согласуются с предыдущими численными и экспериментальными исследованиями. При этом данные настоящих расчетов ближе к экспериментальным результатам, чем данные других численных исследований. Кроме того, насколько известно авторам, ранее не было публикаций по определению расстояния между отошедшей ударной волной и параболоидами в исследованном диапазоне скоростей.

Интенсификация смешения подаваемого через струйные форсунки газообразного рабочего тела с окружающей средой является важной научно-технической задачей, решение которой позволит повысить эффективность рабочего процесса в энергетических и силовых установках. Актуальным, однако малоизученным направлением является генерирование в струйных форсунках акустико-вихревых автоколебаний, способных ускорить распад сверхзвуковой струи и тем самым улучшить показатели смешения. В статье представлены особенности возбуждения акустико-вихревых автоколебаний в струйных форсунках; приведены основные результаты экспериментального исследования модельной струйной форсунки, в канале которой установлены пластины, обеспечивающие возбуждение акустико-вихревых автоколебаний; найдены закономерности распада в затопленном пространстве недорасширенной сверхзвуковой струи для различных режимов течения. Представленные данные показывают возможность эффективного применения струйных форсунок с генерируемыми акустико-вихревыми автоколебаниями применительно к системам подачи газообразного горючего. Результаты исследования могут быть использованы при проектировании энергосиловых установок перспективных образцов авиационно-космической техники и технологических устройств.

Экспериментально исследовано влияние лент с двойной закруткой в прямом и противоположном направлениях на интенсивность теплообмена в круглой трубе. Ленты с двойной закруткой размещались при входе в трубу в двух конфигурациях: в первом случае обе ленты скручивались в одном направлении, что приводило к вихревому потоку в одном направлении на входе, во втором - ленты скручивались в противоположном направлении, что приводило к встречному вихревому потоку. Двойные ленты закручивались с тремя разными коэффициентами крутки (y/w = 3, 4 и 5) для генерации различных интенсивностей вихря на входе в экспериментальный участок, результаты сравнивались с аналогичными данными для одиночной закрученной ленты. Цель использования двойной закрученной ленты заключается в создании вихревых потоков в прямом и противоположном направлениях, существенным образом влияющих на интенсивность турбулентности потока на входе в участок и приводящих к повышению интенсификации теплообмена. Средние числа Нуссельта при наличии лент с двойной закруткой в прямом и противоположном направлениях определяются и сравниваются с данными, полученными в других аналогичных случаях, т.е. с одиночной закрученной лентой. Экспериментальные результаты по скорости теплообмена показали, что у труб с двойной закрученной лентой (обоих рассматриваемых видов) показатели выше, чем у труб с одной лентой на входе в участок (x/D = от 0 до 10). Скорость теплообмена на большем расстоянии снижалась из-за высокого взаимодействия вихрей. Кроме того, среднее число Нуссельта и коэффициент трения для генератора вихрей, имеющие место вследствие использования лентой с двойной закруткой в противоположном направлении, практически не отличаются от результатов для ленты с двойной закрутки в прямом направлении.

Решается задача о росте гидрата в водном растворе газа, интенсивность которого определяется диффузией газа к поверхности гидрата. Для случаев плоской, радиально-симметричной и сферически-симметричной постановок задачи получены значения автомодельной координаты, определяющей рост гидратного слоя в водном растворе газа и пиковые значения температуры в области, содержащей гидрат. Проанализированы температурные поля, связанные с тепловыделением при гидратообразовании.

Рассмотрены методы расчета геометрических характеристик паровой фазы в процессах взрывного пристеночного вскипания на металлической стенке. Задается монотонный рост перегрева жидкости выше температуры равновесного испарения. Показано, что выбор модели взаимодействия пузырьков существенно влияет на геометрические характеристики, определяющие величину теплового потока. В результате компьютерного моделирования получены зависимости сухой площади от времени процесса для двух моделей взаимодействия. Обнаружено, что для модели мгновенного слияния пузырьков сухую площадь можно рассчитывать по формуле Колмогорова с поправочным коэффициентом, соответствующим наиболее вероятному тройному взаимодействию. Найдена аппроксимация распределения длины линии смачивания по времени жизни ее участков. Рассматривается возможность применения полученных результатов для расчета быстрой конденсации.

Проведен численный анализ нестационарных режимов плавления материала внутри замкнутой полости при наличии локального источника энергии. Математическая модель, сформулированная в безразмерных преобразованных переменных "функция тока-завихренность-температура", реализована численно методом конечных разностей. Детально изучено влияние чисел Рэлея 4x10⁵ ≤ Ra ≤ 5x10⁷ и Стефана 2,21 ≤ Ste ≤ 5,53, на распределения скорости, температуры и локального числа Нуссельта вдоль поверхности источника энергии в различные моменты времени. Установлены нестационарные эффекты рассматриваемого процесса, проявляющиеся при высоких значениях числа Рэлея.

Изучается сложный теплообмен между двумя толстостенными концентрическим сферами. Аналитический подход к его моделированию вызван растущим интересом к проблеме создания экранов для защиты от радиационного теплопереноса. Проведены вычисления для общей скорости теплообмена, температуры и коэффициента излучения поверхности для случая размещения одного или двух толстостенных тепловых экранов между двумя толстостенными сферами. Вычисления показали, что размещение одного экрана с низким коэффициентом излучения более эффективно для снижения теплообмена, чем два экрана с более высоким коэффициентом. Также предложены оптимальные комбинации экранов, выполненных из различных материалов.

При окислении циркония сверхкритическим CO₂ (823 K, 20,2 и 14,1 МПа) образуется слой моноклинного ZrO₂ и аморфного углерода. В постоянном электрическом поле (E = 293 кВ/м), когда образец циркония является анодом, образование аморфного углерода приводит к возрастанию тока утечки и увеличению скорости окисления циркония в двенадцать раз.

Выполнены оценки эффективности термоэлектрического преобразования тепла от горения газа в малоразмерной системе, представляющей собой два канала с противоположно направленными потоками газа и термоэлементами, расположенными в разделяющей стенке. Горение происходит в камере, в которую поступает свежая смесь, подогреваемая продуктами горения через теплопроводящие стенки канала. В стенках канала расположены термоэлектрические преобразователи. Показано, что в такой системе максимальная эффективность преобразования тепла от сгорания газа может приближаться к максимальной эффективности термоэлектрического преобразования, рассчитанного по максимально допустимой рабочей температуре горячей стороны преобразователя. Этот вывод справедлив и в случае, когда адиабатическая температура сгорания смеси газов меньше максимально допустимой рабочей температуры горячей стороны термоэлектрического преобразователя. Рассматриваемая система перспективна для сжигания низкокалорийных смесей газов и не требует дополнительных затрат энергии для охлаждения холодной стороны термоэлектрического преобразователя.

В работе проводится расчетное исследование влияния двухпараметрических моделей турбулентности k-e, k-w SST и модели рейнольдсовых напряжений RSM на описание процессов при горении угольной пыли в топочной камере с вихревой горелкой. Для расчетов была выбрана математическая модель, которая включала в себя описание движения несущей фазы на основе RANS подхода, перенос излучения на основе P1 метода, движение частиц на основе подхода Лагранжа, горение в газовой фазе на основе гибридной модели, горение угольных частиц в диффузионно-кинетическом приближении. Полученные расчетные данные сравнивались с экспериментальными результатами по горению пылеугольного факела при наличии закрутки потока на огневом стенде мощностью 2,4 МВт. Сравнительный анализ показал, что модели турбулентности k-e и k-w SST и модели рейнольдсовых напряжений оказывают незначительное влияние на распределение аксиальной и тангенциальной скоростей, температур и концентрации газов в топочной камере.

Численно решена задача тепломассопереноса в условиях зажигания частицы водоугольного топлива. Учитывалось совместное протекание процессов испарения влаги, фильтрации водяных паров, термического разложения органической части угля, термохимического взаимодействия паров воды и углерода кокса, окисления продуктов взаимодействия последних, а также летучих внешним окислителем. Установлены масштабы влияния индивидуальных теплофизических и термохимических свойств углей на характеристики и условия воспламенения водоугольной суспензии.

Выполнены термодинамические расчеты плазменной газификации углеродсодержащих отходов в воздушной и паровой средах. Показано, что максимальный выход синтез-газа при плазменной газификации углеродосодержащих отходов в воздушной и паровой средах достигается при температуре 1600 К. На разработанной плазменной установке проведены эксперименты по газификации углеродсодержащих отходов. Из органической массы углеродосодержащих отходов получен высококалорийный синтез-газ, а из минеральной массы ¾ нейтральный шлак, состоящий в основном из карбида железа, моносиликата кальция, кремнезема и железа. Сопоставление результатов эксперимента и расчетов показало их хорошую согласованность.

Исследована аэродинамическая структура потока в лабораторной модели перспективной вихревой топки парогенератора с горизонтальной осью вращения, распределенным тангенциальным вводом топливовоздушных струй и вертикально расположенными соплами вторичного дутья. С помощью стереоскопического метода цифровой трассерной визуализации получены трехкомпонентные поля скорости в ряде сечений в объеме вихревой камеры сгорания. На основе обработанных данных, с использованием критерия «минимума полного давления», визуализировано вихревое ядро потока. Полученные результаты хорошо согласуются с данными лазерной доплеровской анемометрии и численными расчетами.

Исследуется термокапиллярный разрыв пленки жидкости, стекающей под действием гравитации по вертикальной пластине с нагревателем 150×150 мм, в широком диапазоне изменения свойств жидкости (в частности, динамическая вязкость при начальной температуре изменяется от 0,91x10^-3 до 16,9x10^-3 Па×с) и числа Рейнольдса пленки (Re = 0,15-53,5). Установлено, что вязкость жидкости оказывает существенное влияние на пороговый тепловой поток, при котором происходит разрыв пленки. Для учета влияния свойств жидкости критерий разрыва, традиционно используемый в литературе, был модифицирован, что позволило удовлетворительно обобщить все полученные данные.