Главная – Журналы – Теплофизика и аэромеханика 2007 номер 4

Кратко прослежены жизненные и творческие пути отечественных пионеров ракетной техники Ф.А. Цандера и Ю.В. Кондратюка (А.И. Шаргея), внесших заметный вклад в становление космонавтики и развитие ракетной техники. Рассмотрены основные идеи и предложения этих талантливых ученых и изобретателей, связанные с ракетно-космической техникой и нашедшие применение при освоении космического пространства.

В работе рассматривается адиабатическое испарение различных жидкостей в паровоздушную смесь и чистый перегретый пар. Основное внимание уделено определению температуры инверсии, при которой интенсивность испарения жидкости в паровоздушную смесь (или в перегретый пар) равна интенсивности испарения в сухой воздух. Получены простые аналитические соотношения для определения температуры инверсии и найдены необходимые условия существования данного явления. Проанализировано влияние параметров набегающего потока: паросодержания, давления, режима течения на значение температуры инверсии. Показано, что при определении температуры инверсии для этанола, ацетона и бензола необходимо учитывать влияние поперечного потока вещества на относительную функцию теплообмена. Для оценки точности расчетов по предложенным зависимостям проведено сопоставление с результатами численного моделирования.

Экспериментально исследованы переходные процессы с образованием сухих пятен и развитием кризиса осушения при ступенчатом и квазистационарном законах тепловыделения на тонкостенном нагревателе, охлаждаемом стекающей пленкой криогенной жидкости. Показано, что при малых значениях плотности теплового потока распад ламинарно-волновой пленки жидкости происходит с возникновением самоорганизующейся системы метастабильных регулярных структур с кипящими струями жидкости и крупномасштабными сухими зонами между ними. Проведен численный эксперимент, моделирующий процесс повторного смачивания перегретой поверхности, осушенной при импульсном тепловыделении. Впервые обнаружено, что локальные скорости движения разных областей двумерного фронта смачивания существенно различаются. Достоверность результатов, полученных численными методами, подтверждена прямым сравнением с экспериментальными данными.

Изучается поле течения плоской пристенной струи вблизи сопла. Течение, организованное в таком виде, может быть разделено на две области. В непосредственной близости к поверхности расположена область пограничного слоя, выше нее ¾ область свободного сдвигового слоя. Для обоих слоев характерно присутствие продольных когерентных структур, наличие которых подтверждают данные дымовой визуализации и термоанемометрических измерений. Структуры, развивающиеся в различных областях, имеют разные поперечные масштабы и появляются на разном расстоянии от сопла. Исследовано влияние скорости потока на развитие продольных структур, взаимодействие продольных возмущений, развивающихся в пограничном слое и слое сдвига, возбуждаемых акустическим полем. Для измерений сложного трехмерного течения использовался термоанемометр вместе с высокоточным автоматизированным координатным устройством и системой триггерования и сбора данных. В разных сериях эксперимента область измерений (X, Y, Z) варьировалась от 3000 до 25000 точек. Удалось установить следующее. Уровень скорости потока на выходе из сопла и частота образования колец Кельвина- Гельмгольца имеют непосредственное влияние на размер структур. Например, повышение скорости и частоты ведет к уменьшению поперечного размера продольных структур.

Проведено экспериментальное исследование распределения температуры и интенсивности температурных пульсаций в потоке воздуха в теплообменнике сложной формы типа “набивки Френкеля”. Измерения выполнены при течении воздуха между двумя гофрированными пластинами с гофрами треугольного сечения, направленными под углом 90° друг к другу. Измерения температуры в потоке проводились специально изготовленным термопарным зондом. Горячий спай термопары не превышал 10 мкм. Анализируется влияние точек контакта и числа Рейнольдса на статистические характеристики температуры в турбулентном потоке при течении воздуха. Основное внимание уделено распределениям температуры в элементарной ячейке. Исследования показали существенное различие в распределении температуры в потоке на наветренной и подветренной сторонах канала.

Рассматривается обтекание вязкой несжимаемой средой (вода, воздух) кругового цилиндра с учетом зависимости вязкости n от температуры Т. При числе Рейнольдса (по диаметру) Re_D = 40 в задаче обтекания неподвижного цилиндра исследуется влияние различных граничных условий для температуры на структуру течения, коэффициент сопротивления и его составляющие за счет давления и вязкости. Обсуждается связь между градиентом вязкости по нормали к поверхности обтекаемого тела и интегральным потоком завихренности от поверхности тела в пограничный слой. В отличие от случая постоянной вязкости этот поток завихренности может быть отличным от нуля, что вследствие интегрального закона сохранения завихренности должно приводить к изменению граничных условий дальнего поля для скорости. В этой же связи анализируется задача о входе теплового пятна в рассматриваемую расчетную область течения около кругового цилиндра. Рассмотрены примеры симметризации отрывного обтекания цилиндра, совершающего вращательные колебания в равномерном набегающем потоке (задача Танеды). Проводится сравнение с расчетами течений при малых числах Маха М < < 1 при обтекании средой неподвижного цилиндра. При расчете уравнения переноса тепла в предположении несжимаемости таких сред как воздух предлагается сохранять производную от давления, что характерно для газов. В этом случае достигается лучшее совпадение с расчетами сжимаемых течений (при М < < 1), например, в определении размеров симметричной зоны отрыва потока за круговым цилиндром. Численным моделированием при числе Рейнольдса равном 40 получено нестационарное течение в окрестности точки смыкания нулевой линии тока, ограничивающей замкнутую область отрывного течения (каверну) в следе за неподвижным цилиндром.

Обсуждается методика создания эффективной системы восстановления давления (СВД) для HF/DF- лазера большой мощности. Предлагается последовательность этапов проектирования, включающая в себя оценки основных параметров с помощью одномерных интегральных и полуэмпирических методик, вычислительное моделирование с использованием нестационарных трехмерных уравнений Навье- Стокса, экспериментальное моделирование, необходимое для верификации расчетных методик и корректировки параметров, и натурный эксперимент. Разработана и создана система эжекторного типа, обеспечивающая восстановление давления в газодинамическом тракте с 12 Тор до атмосферного уровня при работе HF/DF- лазера, имеющего мощность несколько десятков киловатт. Проанализированы условия согласования параметров отдельных элементов, составляющих СВД, и функционирование СВД и непрерывного химического лазера в составе единого комплекса. Определены условия минимизации массогабаритных характеристик этого комплекса, необходимые при создании мобильных систем наземного базирования.

Построена численная модель решения нестационарного нелокального кинетического уравнения Больцмана для функции распределения электронов по энергии. Уравнение Больцмана для изотропной части функции распределения, записанное в естественных переменных кинетическая энергия - координата, решалось методом установления. Модель применялась для описания пространственно-временной эволюции функции распределения электронов в однородном электрическом поле. Для модельного распределения электрического поля с “отрицательным” значением в Фарадеевом темном пространстве и “положительным” значением в положительном столбе тлеющего разряда получены основные макроскопические параметры электронов, подтвержден диффузионный механизм переноса электронного тока в области отрицательного электрического поля.

Разработанная обобщенная физико-математическая модель, вычислительная процедура на основе метода конечных элементов, а также программное обеспечение были практически использованы для моделирования процессов нестационарного сопряженного теплообмена и фазовых превращений при обработке поверхности высококонцентрированными потоками энергии со стационарным, импульсным и подвижным источником нагрева (обработка, в том числе оплавление покрытий квазиламинарной плазменной струей, вынесенной электрической дугой и импульсным электронным пучком; очистка поверхности металлических подложек от оксидного слоя с помощью катодной вакуумной дуги и др.). Проведено исследование практически важных процессов, имеющих существенно различающиеся пространственные и временные масштабы, характеризующиеся плотностью мощности тепловых потоков q Î  [10⁷; 10¹⁴] Вт/м².

Исследована возможность эффективного использования плазменного оборудования для газификации различных техногенных углеродсодержащих отходов (бытовые отходы, отходы древесины, рисовая лузга, биологические отходы). Приведен термодинамический анализ процессов газификации углеродсодержащих отходов. На плазменном оборудовании экспериментально подтверждена возможность прогнозирования результатов газификации. Показано, что при плазменной газификации углеродсодержащих материалов вырабатывается синтез-газ, пригодный для нужд энергетики и химического производства.

Рассмотрена осесимметричная задача аккумулирования тепловой энергии в материале, претерпевающем фазовый переход при взаимодействии его с теплоносителем, температура которого изменяется циклически. Численными методами исследована возможность выбора параметров части конструкции аккумулятора, где хранится материал. Некоторый оптимальный объем теплоаккумулирующего материала определяется из условия равенства количеств теплоты при зарядке- разрядке аккумулятора. Результаты вычислений для ламинарного и турбулентного режимов подачи теплоносителя показали, что при одной и той же поверхности теплообмена наиболее эффективным является турбулентный режим.

Обсуждается способ калибровки датчика термоанемометра постоянной температуры, которая проводилась посредством его перемещения внутри пограничного слоя на плоской пластине при числе Маха набегающего потока М = 2,54 и диапазоне чисел Рейнольдса по диаметру нити датчика (9 < Re_d < 23). Сравнение значений чувствительности, полученное с помощью такой процедуры калибровки, при условии пренебрежения низкими температурными нагрузками (t < 0,6), хорошо согласуется с чувствительностью, определяемой на основе данных вне пограничного слоя. Применение модифицированной передаточной функции для коррекции спектра мощности возмущений течения позволило обнаружить совпадение скорректированного спектра с затуханием по Колмогорову с показателем степени - 5/3. Уровни пульсаций полной температуры и массового расхода рассчитаны для пограничного слоя на плоской пластине в предположении преобладания в нем акустической моды, и найдены распределения этих пульсаций в зависимости от частоты.

Представлены результаты экспериментального исследования взаимодействия осесимметричной недорасширенной струи с преградами разной формы ¾ плоской и в виде цилиндрической полости. Установлено, что наличие полости вызывает появление возвратного течения, взаимодействие которого со струей приводит к возникновению вихревых спиральных структур.