Главная – Журналы – Теплофизика и аэромеханика 2010 номер 1

Представлен обзор экспериментальных и теоретических исследований по механизму теплопереноса в наножидкостях. Рассмотрен широкий круг проблем, связанных с технологией получения наножидкостей, экспериментальным оборудованием и особенностями измерительных методик. Представлены опытные данные по теплопроводности наножидкостей при вариации концентрации, размеров и материала наночастиц. Дан анализ результатов по вынужденной и свободной конвекции в ламинарном и турбулентном режимах течения. Представлены существующие модели физических механизмов интенсификации и подавления тепло <http://cs.isa.ru:10000/ch/varwin.php?di=afjixee&;ef=0>переноса в наножидкостях. Показаны значительные отличия в данных различных исследователей, анализируются возможные причины этих расхождений.

Приведены результаты экспериментальных исследований обтекания дозвуковым потоком модели прямого крыла, установленной под постоянным углом атаки в гистерезисном диапазоне скоростей потока. Показано, что при одном и том же угле атаки и одной и той же скорости потока возможны два типа течения на верхней поверхности модели: срыв потока вблизи передней кромки крыла и присоединенное течение с ламинарно-турбулентным переходом вблизи передней кромки крыла. Показано, что преобразовать течение из срывного в присоединенное можно с помощью локального воздействия в одной точке на поверхности модели, причем эта точка находится внутри области срыва. Проведена визуализация обоих видов течения и термоанемометрические измерения скоростей потока, амплитуды и частотного состава пульсаций в обоих вариантах обтекания.

Экспериментально исследуется влияние условий вверх по потоку и степени шероховатости стенки на усредненные профили и некоторые интегральные параметры течения в двумерном пограничном слое с нулевым градиентом давления. Результаты анализируются с использованием обычных и недавно предложенных параметров масштабирования потока для 245 < Re_{θ ≤ 11·10³, где Reθ ⎯ число Рейнольдса, по скорости набегающего потока и толщине потери импульса θ. Получена хорошая
корреляция величины как функции параметра шероховатости k^{+ для песочной шероховатости
1,7 < k+ ≤ 172, обнаруживающая универсальность ее влияния, где = ( − )/uτ и
k+ = kuτ /ν. Как показали наблюдения, степень шероховатости не влияет на структуру осредненного внешнего потока, т. е. внешний поток над гладкими и шероховатыми поверхностями масштабируется универсально с помощью различных параметров независимо от степени шероховатости стенки. Однако течение в пристеночной области оказывается при этом далеким от классической универсальности, что указывает на то, что предположение подобия не сохраняется для пристеночной области по меньшей мере в рассмотренном диапазоне чисел Рейнольдса.}}

Дан анализ результатов экспериментальных исследований развития вихревой системы, формирующейся при продольном сверхзвуковом обтекании двугранного внешнего прямого угла за счет перепада давления между его верхней и боковой гранями. Эксперименты проведены в аэродинамической трубе Т-313 ИТПМ СО РАН при числах Маха М_∞ = 2,27, 3, 4 и углах атаки α = −4° ÷ +20°. Показано, что в исследованном диапазоне углов атаки размеры зон влияния вихревой системы практически не зависят от числа Маха набегающего потока, а относительные величины разрежения потока на поверхности модели под ядром основного вихря плавно стремятся к своим минимальным значениям.

Предложен численный метод решения обратной краевой задачи аэродинамики. Для проектирования двумерного крылового профиля, использован метод конечных элементов, основанный на вариационном принципе. На тестовых примерах показана эффективность представленного метода.

Рассматриваются результаты построения и расчетного газодинамического моделирования сверх-звукового трехмерного воздухозаборника нового типа, участок внешнего сжатия которого образуется V-образным телом, формирующим начальный плоский косой скачок уплотнения и последующую изоэнтропическую волну сжатия. Воздухозаборник содержит участок внутреннего сжатия, обечайка которого также формирует плоский косой скачок уплотнения и последующую изоэнтропическую волну сжатия. Построенный трехмерный воздухозаборник имеет малые углы наклона поверхностей сжатия, что обеспечивает его малое волновое сопротивление. Согласно оценкам характеристик его эффектив-ности, по степени сжатия и коэффициенту восстановления полного давления он близок к оптимальному плоскому воздухозаборнику внешнего сжатия Осватича−Петрова−Ухова. Выполнен численный расчет течения в воздухозаборнике на основе уравнений Эйлера и Навье−Стокса с использованием коммерчес-кого пакета "FLUENT". В невязком приближении реализуется расчетный режим с однородным пото-ком в области горла. Наиболее существенным эффектом проявления вязкости в течении на расчетном режиме является взаимодействие скачка уплотнения от обечайки с пограничным слоем на теле сжатия во внутреннем канале воздухозаборника. Отрыв пограничного слоя, по данным расчета, не возникает, однако образуются отраженные скачки, приводящие к существенным отклонениям структуры потока в сравнении с расчетным невязким.

Предложена методика для определения эквивалентного аэродинамического диаметра d_{аэ аэрозольных частиц несферической формы при их оседании в поле силы тяжести в диапазоне чисел Рейнольдса от 0,1 до 6,0. Описан седиментометр и приведены результаты определения dаэ для частиц порошка из плексигласа, полученные на нем.}

Представлены результаты экспериментального исследования нестационарного поля температуры на поверхности канала сложной формы при скачкообразном изменении во времени тепловыделения в стенке упаковки с односторонним подводом тепла. Измерения выполнены в течении воздуха между двумя гофрированными пластинами с гофрами треугольного сечения, направленными под углом 90° друг к другу. Измерения проведены с помощью микротермопар толщиной менее 10 микрон. Анализируется влияние числа Рейнольдса и величины подводимой мощности на изменение температуры по поверхности теплообменника во времени, вызванное скачкообразным изменением подводимой электрической мощности при турбулентном режиме течения воздуха. Проведенные исследования выявили характерные закономерности в эволюции температуры по периметру нагреваемой ячейки. Экспериментальные данные зависимости температуры от времени хорошо аппроксимируются экспоненциальной функцией.

Рассматривается теплообмен при течении неньютоновских жидкостей в конвергентно-дивер-гентных каналах с общей границей в случае движения жидкостей в противоположенных направлениях. На общей границе задаются условия непрерывности температуры и теплового потока. Представлены математическая модель, метод расчета и результаты численных исследований. По результатам численных расчетов построены графики, характеризующие течение жидкости в исследуемых каналах. Проведен сравнительный анализ теплообмена в гладком и конвергентно-дивергентном каналах.

Исследованы режимы восходящего газожидкостного течения в прямоугольном миниканале размером 1,75×3,8 мм и длиной 0,7 м. Опыты проведены в диапазоне приведенных скоростей газа от 0,1 до 10 м/с и жидкости от 0,07 до 0,7 м/с для спутного потока H₂O/CO₂ в условиях насыщения. Отработана методика двухлучевого лазерного сканирования структуры и определения статистических характеристик двухфазного потока. Выделены снарядно-пузырьковый, снарядный, переходный, вспененный, кольцевой режимы течения. Впервые получены статистические характеристики движения жидкой и газовой фаз в миниканале, в том числе и скорости движения фаз.

Проведены эксперименты по кавитации воды в ультразуковом поле. Исследованы низкочастотные колебания интенсивности прошедшего через кавитационную область лазерного луча. Эксперименты показали присутствие низкочастотных случайных колебаний с частотной зависимостью спектров мощности где показатель степени α принимал значения в диапазоне 0,8 ≤ α ≤ 1,2. Из экспериментальных реализаций выделены крупномасштабные низкочастотные пульсации, обладающие свой-ством масштабной инвариантности, длительность которых распределена по степенному закону. Результаты объяснены на основе математической модели возникновения масштабно инвариантных флуктуаций с спектром мощности в системе двух нелинейных стохастических дифференциальных уравнений, описывающих взаимодействие разнородных фазовых переходов. Распределение экстремальных низкочастотных выбросов, выделенных из численных решений стохастических уравнений, имеет степенной вид. Установлены соотношения динамического скейлинга между критическими показателями, определяющими частотную зависимость спектров мощности пульсаций α и функции распределения амплитуд экстремальных низкочастотных пульсаций β. Показано, что как в случае экспериментов по акустической кавитации воды, так и в случае теоретической модели взаимодействующих фазовых переходов критические показатели связаны соотношением α + β = 2. Спектры мощности флуктуаций определяются в экспериментах проще и точнее, чем функция распределения экстремальных амплитуд. В тех случаях, когда известна только частотная зависимость спектров мощности флуктуаций, соотношения между показателями позволяют получать информацию о распределениях крупномасштабных выбросов и оценивать опасные амплитуды.

Вдали от границы достижимого перегрева в области гетерогенного зародышеобразования изучена кинетика вскипания перегретой дистиллированной воды и раствора хлорида натрия в стеклянной ячейке при атмосферном давлении и при низких перегревах в 15−35 °C. Экспериментально получены зависимости среднего времени ожидания вскипания перегретых жидкостей от температуры в естественных условиях и в ультразвуковом поле. Время ожидания вскипания при этих температурах достигает 1000 с, а среднее время ⎯ 600 с. По полученным выборкам времени ожидания вскипания методом порядковых статистик найдены эмпирические функции распределения. С помощью критерия согласия омега-квадрат показано, что они не совпадают с экспоненциальным распределением, описывающим стационарный случайный процесс рождения сверхкритического зародыша, разделяющего систему на макроскопические фазы. Таким образом, показано, что этот случайный процесс не является стационарным, что находит свое выражение в зависимости частоты зародышеобразования от времени.

На основе флуктуационной теории фазовых переходов и теории гравитационного эффекта проведены исследования высотной и температурной зависимостей теплоемкости неоднородного вещества в поле гравитации Земли вблизи критической точки. Полученные результаты свидетельст-вуют о немонотонных полевых и температурных зависимостях теплоемкости пространственно неоднородного вещества, что подтверждается экспериментальными исследованиями теплоемкости в макро- и ограниченных системах в земных условиях и условиях микрогравитации космического полета.

Методом лазерной вспышки исследованы коэффициенты теплопроводности и температуропроводности жидкого индия в интервале температур от 470 до 1275 K. Погрешности измерения коэффициентов переноса тепла составили ±(3,5−5) %. Получены аппроксимирующие уравнения и таблицы справочных данных для температурной зависимости свойств. Проведено сопоставление результатов измерений с известными литературными данными. Рассчитана температурная зависимость числа Лоренца до 1000 K.

На основе классических представлений о движении атомов и решеточной теории Ф. Гудмана и Г. Вахмана разработана программа, моделирующая равновесное и неравновесное рассеяние атомов гелия на трехмерной кристаллической решетке вольфрама c учетом адсорбционного покрытия поверхности. В терминах коэффициента аккомодации энергии рассчитана эффективность молекулярного теплообмена гелия с чистой и частично покрытой адсорбатом поверхностью вольфрама при различных значениях температуры. Проведено сравнение расчетных зависимостей с данными, полученными в экспериментах с контролируемой по химическому составу поверхностью. В рамках разработанного подхода модельные расчеты удовлетворительно описывают экспериментальные данные, полученные для равновесного коэффициента аккомодации энергии на чистой поверхности, а также для неравновесного КАЭ в случае частичного заполнения поверхности адсорбатом.

На основе математической модели пористой реагирующей среды дается новая постановка и численное решение задачи о зажигании слоя торфа в результате действия очага низового пожара. Установлено, что при умеренных температурах (Т_{1 ≤ 750 K) тление исходного реагента определяется процессами тепло- и массообмена с очагом лесного пожара, сушки, пиролиза торфа, реакцией окисления оксида углерода, теплофизическими характеристиками и высотой торфа, а также толщиной пласта воды под слоем торфа.}