Главная – Журналы – Теплофизика и аэромеханика 2003 номер 2

Представлены результаты исследования нестационарного распада вихря, выполненного одновременно двумя методами диагностики потоков: методом определения поля скорости по трекам частиц (PIV) и лазерной доплеровской анемометрией (LDA). Для конкретного экспериментального режима численно решены в цилиндрических координатах трехмерные нестационарные уравнения Навье – Стокса для несжимаемой жидкости. Хорошее соответствие результатов расчета и эксперимента показало работоспособность как предложенной методики диагностирования пульсирующего распада вихря, так и использованного численного метода решения трехмерных нестационарных уравнений Навье – Стокса.

Рассмотрено уравнение конвективной диффузии частиц, и сформулирована постановка задачи о выделении частиц пыли из турбулентного потока газа в прямоточном циклоне. Проведен анализ уравнений пульсационного движения частиц в поле действия центробежных и кориолисовых сил, и получена аналитическая зависимость для их коэффициента диффузии.

Описывается модель двухфазного течения из пакета программ TASCflow3D, используемая для моделирования закрученного внезапно расширяющегося турбулентного течения смеси газа и частиц. Современные численные методы позволяют решать вычислительные проблемы, связанные с использованием большого числа узлов разностных сеток. В рассматриваемом случае применяется неравномерная разностная сетка с локальным измельчением в зонах больших градиентов скорости. Одна из задач исследования – определение влияния разрешения расчетной сетки на сходимость решения. Получено хорошее соответствие между расчетом и экспериментом. Результаты вычислений дают полезную информацию о структуре потока.

Экспериментально исследована структура нестационарных вихревых следов за ротором в системе венцов статор – ротор – статор осевого компрессора. Установлено, что помимо торможения осредненной по времени относительной скорости течения в зоне турбулентного вихревого следа за лопаткой вблизи оси следа возникает слой свободных вихрей, сносимых потоком. Свободные вихри пульсируют с частотой следования лопаток соседних венцов, вызывают пульсации скорости и давления в потоке и в процессе смешения увеличивают потери полного давления.

Проведено математическое моделирование трансзвукового режима обтекания крылового профиля в условиях импульсного периодического локального энергоподвода с целью изучения его влияния на структуру течения (разрушение и возникновение ударных волн, их положение и интенсивность и иные эффекты, вызванные перестройкой течения). Представлены результаты расчета обтекания профиля NACA-0012 потоком идеального газа с числом Маха 0,8 при различных положениях зон энергоподвода и значениях подводимой энергии. Моделирование проводилось на основе двумерных нестационарных уравнений газовой динамики. В качестве начальных условий используется стационарное обтекание профиля без энергоподвода. Для нахождения численного решения применяется явный метод конечных объемов, уменьшающий полную вариацию (TVD-реконструкция). С момента начала энергоподвода до получения периодического режима решается нестационарная задача. Показаны возможности управления локальными и интегральными характеристиками крыловых профилей на трансзвуковых режимах обтекания. Установлен периодический характер формирующегося течения, который может быть реализован на крейсерских режимах полета; приведены примеры как глобальной, так и локальной перестройки течения.

Проведены экспериментальные исследования обтекания крыловых профилей в дозвуковых аэродинамических трубах. Цель исследований – сравнение течений над верхней поверхностью обычного прямого крыла и крыла с волнистой поверхностью, имитирующего крыло параплана. Обнаружена трехмерность структуры течения в зоне ламинарных отрывных пузырей, показаны особенности их формирования на плоском и волнистом крыле. Измерены нормальная и тангенциальная составляющие аэродинамической силы, действующей на крыло, и показаны преимущества крыла параплана перед плоским крылом.

Проведены экспериментальные исследования возникновения мощных резонансных акустических колебаний, обусловленных сходом когерентных структур (источник возбуждения колебаний) в областях отрыва турбулентного пограничного слоя в начале следа за плоскими и пространственными конфигурациями прямоугольных, стреловидных и круговых пластин, установленных в канале параллельно его стенкам. Обнаружены некоторые новые явления, в частности, взаимодействие ряда систем когерентных структур и соответственно одновременное возбуждение нескольких резонансных частот в переходных режимах, возникновение пространственно неоднородных когерентных структур, формирование сложных стоячих звуковых волн около обтекаемых тел. Полученные результаты рассматриваются как различные способы управления аэроакустическим резонансом и течением в целом.

Ставится и с использованием параболизованных уравнений устойчивости решается линейная задача для возмущений сжимаемого ламинарного пограничного слоя, вызванных малой синусоидальной шероховатостью поверхности пластины. Исследованы особенности поведения возмущений при углах между фронтом волны шероховатости и направлением потока, равных углу Маха. Рассчитаны параметры звука, излучаемого шероховатой пластиной при сверхзвуковом обтекании (M = 2).

Приведены результаты экспериментального исследования теплоотдачи конвекцией и гидравлического сопротивления при течении воздуха в кольцевом зазоре, внутренняя труба которого профилирована сферическими углублениями-лунками, расположенными в шахматном порядке, и в трубе со сферическими выступами на образующей поверхности. Исследования проводились в следующих диапазонах режимных и геометрических параметров: Re_f,°d = 2 ^.10³ 8 ^.10³ и 3 ^.10³ 2,2 ^.10⁴ (соответственно в кольцевом зазоре и в трубе), относительная глубина лунок h/d_H= 0,035 0,175, расстояние между лунками t/d_H= 0,526 0,701, d_H – диаметр наружной трубы кольцевого канала. Анализ опытных данных показал, что в обоих случаях достигается существенная интенсификация теплообмена (в 2,1 и 3,2 раза соответственно). Зафиксировано снижение потерь на сопротивление “облуненных” каналов по сравнению с гладкими. Показана высокая эффективность представленных теплообменных поверхностей.

Исследована теплопроводность 1,1,1,2,3,3-гексафторпропана (HFC-236ea) в жидком и газообразном состоянии в интервале температур от 307 до 433 K при давлениях от 0,18 до 2,8 МПа. Измерения проведены стационарным методом коаксиальных цилиндров на образцах чистотой 99,4 мол. % с погрешностью, в основном не превышающей 2 %. При атмосферном давлении в газовой фазе теплопроводность HFC-236ea в пределах погрешностей не отличается от теплопроводности HFC-227ea и октафторпропана и в то же время значительно ниже теплопроводности пропана. Зависимость теплопроводности газообразного HFC-236ea от температуры и давления аппроксимирована полиномом четвертой степени (относительно давления). Рассчитаны значения теплопроводности жидкости и пара на кривой насыщения.

Проведено численное исследование формирования температурных полей и радиационных потоков в процессе плавления полупрозрачной серой среды с различными значениями коэффициентов поглощения. Рассмотрены эволюция роста температуры на левой непрозрачной границе и динамика движения фронта фазового перехода при различных значениях коэффициентов отражения границ слоя.

Образование вакансионно-газовых пор в кристаллической решетке металла исследуется численно методом стохастического аналога, позволяющим представить явление блистеринга случайным марковским процессом. Зародыши газовой фазы образуются в результате накопления частиц плохо растворимых газов в пузырьках-блистерах. Под влиянием дальнодействующего потенциала непрямого взаимодействия незаряженных дефектов между собой и с поверхностью образца (через акустические фононы и фриделевские осцилляции электронной плотности) и диффузии осуществляется броуновское движение блистеров, вызывая стратификацию дефектов по глубине приповерхностного слоя металла. По распределению блистеров по размерам, сформировавшихся в течение флуктуационно-неустойчивой стадии фазового перехода первого рода, оцениваются пористость материала и напряжения в решетке, возникшие в результате блистеринга.

В декабре 2002 г. в Институте теплофизики СО РАН проводился Всероссийский семинар «Кинетическая теория и динамика разреженных газов». Этот семинар оказался важным научным событием, поскольку после Всесоюзной конференции по динамике разреженных газов, состоявшейся в 1990 г. в Ленинграде, таких конференций в России не проводилось. Семинар был приурочен к юбилею – 130-летию опубликования уравнения Больцмана, ставшего вехой классической физики XIX столетия.

Представлены результаты моделирования в вакуумной камере процессов загрязнения поверхности Международной космической станции струями двигателей ориентации (ДО). Рассмотрены вопросы моделирования струй ДО, дано описание установки, методов и результатов измерений угловых распределений капельной фазы со спутным сверхзвуковым потоком в вакуум. Найдено, что установка на ДО газодинамических защитных устройств позволяет существенно уменьшить величину обратных потоков капельной (загрязняющей) фазы.

Рассмотрено фотофоретическое движение частиц атмосферного аэрозоля в поле солнечного излучения и уходящего теплового излучения Земли. Представлены постановка задачи и методика расчетов основных характеристик явления, проведен первоначальный анализ полученных результатов. Показано, что частицы сажи (а также другие легкие и слаботеплопроводные аэрозоли) в стратосфере высокочувствительны к фотофоретическим эффектам. В частности, предсказываются левитация и вертикальный подъем частиц сажи размером порядка 0,1 0,8 мкм в поле солнечного излучения и размером 1 2 мкм в поле теплового излучения Земли. В то же время радиометрический фотофорез частиц в поле теплового излучения, по-видимому, не является значимым механизмом в поддержании устойчивого существования известных аэрозольных слоев в стратосфере и мезосфере.

Рассматриваются смеси газов с внутренними степенями свободы и химическими реакциями, включая диссоциацию и рекомбинацию. Наряду с атомами и молекулами (больцмановскими частицами) в смеси могут присутствовать элементарные частицы Ферми и Бозе. Смесь газов описывается с помощью обобщенных уравнений Больцмана – Улинга – Уленбека. Для этих уравнений доказывается обобщенная H-теорема в пространственно однородном и неоднородном случаях.