Главная – Журналы – Теплофизика и аэромеханика 2012 номер 5

Проведено экспериментальное исследование механизма порождения нестационарных вихрей Гёртлера в пограничном слое на вогнутой стенке неоднородностями (вибрациями и неровностями) поверхности. Неоднородности создавались специально разработанным источником возмущений. Они были контролируемыми, локализованными по продольной координате и периодическими по размаху экспериментальной модели. Исследования в малотурбулентной аэродинамической трубе показали, что источник является эффективным инструментом экспериментального изучения задач восприимчивости и устойчивости пограничного слоя с преобладанием неустойчивости Гёртлера. Его работа приводит к порождению нестационарных гёртлеровских вихрей малой амплитуды (десятые и сотые доли процента от скорости основного потока) с заданными параметрами: частотой и поперечной длиной волны. В работе экспериментально количественно изучена задача линейной восприимчивости пограничного слоя к неоднородностям поверхности в широком диапазоне частот для наиболее опасных поперечных масштабов гёртлеровских вихрей. Получены величины амплитуд и фаз коэффициентов восприимчивости. Амплитуды оказались значительно меньше, чем при возбуждении мод других типов гидродинамической неустойчивости (волн Толлмина−Шлихтинга и мод неустойчивости поперечного течения). Обнаружено, что амплитуды коэффициентов восприимчивости существенно растут с частотой, а для высоких частот — и с поперечным масштабом возмущений, хотя для стационарных неровностей поверхности влияния масштаба не наблюдается. Найдено, что частотные зависимости эффективности механизмов устойчивости и восприимчивости разнонаправлены, находятся в конкуренции и могут частично компенсировать друг друга, способствуя развитию в пограничном слое гёртлеровских вихрей широкого диапазона частот.

Проведено экспериментальное и теоретическое исследование влияния глубины пористого покрытия на плоской пластине на устойчивость и ламинарно-турбулентный переход сверхзвукового пограничного слоя при числе Маха набегающего потока M_∞ = 2. Получено качественное согласование результатов расчетов по линейной теории устойчивости с данными экспериментов по переходу, проведенных на моделях с различной глубиной пористого слоя. Показано, что с уменьшением (в определенном диапазоне) глубины пористого покрытия растет устойчивость пограничного слоя и затягивается ламинарно-турбулентный переход.

Рассматривается комбинированная конфигурация обращенной вперед полости и встречной струи для системы тепловой защиты гиперзвуковых летательных аппаратов. Эффективность охлаждения комбинированной системой тепловой защиты исследовалась численно, и численный метод был верифицирован путем сравнения с экспериментом, имеющимся в открытой литературе. Были получены параметры поля течения, аэродинамическая сила и распределение теплового потока на поверхности. Подробные численные результаты показывают, что этот вид комбинированной системы тепловой защиты имеет превосходные характеристики охлаждения головной части и она пригодна для тепловой защиты гиперзвуковых летательных аппаратов, требующих больших дальности и времени полета.

При увеличении температуры торможения камеры сгорания или окружающего воздуха удельные теплоемкости и их отношение не остаются постоянными и начинают меняться. Газ остается совершенным, за исключением того, что он будет калорически несовершенным и термически совершенным. Разработана новая обобщенная форма функции Прандтля−Майера путем добавления влияния изменения этой температуры, более низкой, чем порог диссоциации. Представлено новое соотношение в виде интеграла от сложной аналитической функции, имеющей бесконечную производную при критической температуре. В этом контексте представлена надежная формула численной квадратуры. Классическая форма функции Прандтля−Майера совершенного газа становится частным случаем разработанной формы. Проведено сравнение с моделью совершенного газа с целью найти предел ее применимости. Приложения даны для воздуха.

В настоящей работе при помощи систематического численного моделирования исследованы режимы течения и смешения жидкостей в микромиксере Т-типа в диапазоне чисел Рейнольдса от 1 до 1000. Показано, что по мере увеличения чисел Рейнольдса режимы течения и смешения существенно меняются. Всего установлено пять различных режимов течения. Получены зависимости коэффициента трения и эффективности смешения от числа Рейнольдса. Показано резкое увеличение эффективности смешения при переходе течения с симметричного на несимметричный стационарный режим. С другой стороны, в области ламинарно-турбулентного перехода эффективность смешения несколько снижается. Обнаружено существенное влияние наличия скольжения на стенках на структуру течения в канале и эффективность смешения.

В настоящей работе осуществлялось физическое моделирование тепловых смерчей в лабораторных условиях. В диапазоне 0 ÷ 300 Гц были обнаружены избирательные частоты, при которых наблюдалось разрушение смерча. Для анализа полученных данных проводились измерения профилей скорости при помощи ЛДИС ЛАД-05М. По результатам, полученным для пульсаций скорости, рассчитывался коэффициент корреляции между значениями скорости в измеряемых точках и функцией cos(2π fΔti), описывающей звуковые колебания. В теоретической части работы на основе решения дисперсионного уравнения модели Эйлера была построена граница устойчивости существования смерчей. Получено удовлетворительное согласование экспериментальных результатов с расчетными.

Описана теоретическая модель трансцилляторного теплопереноса, индуцированного всплывающими в жидкости газовыми пузырьками. Для этого температурная задача редуцирована к эквивалентному интегральному уравнению, а поле скоростей в жидкой фазе представлено в виде структур типа бегущей и стоячей волн. Найдены соотношения для вычисления коэффициента трансцилляторного переноса.

Приведены результаты экспериментального исследования картины движения пресной воды в лотке ограниченных размеров при боковом нагреве. Начальная температура воды в лотке изменялась в диапазоне от 0 до 22 °С. Показано, что в окрестности начальной температуры в лотке, равной температуре, при которой вода имеет максимальную плотность (около 4 °С), происходят качественные изменения картины движения. При начальной температуре в лотке больше или равной 4 °С нагретая вода распространяется в виде относительно тонкой поверхностной струи, а при отражении струи от торцевых стенок лотка накапливается только в верхнем слое. При начальной температуре в лотке меньше 4 °С развивается конвективная неустойчивость. При этом часть нагретой воды погружается на дно. Приведены соответствующие иллюстрации и количественная информация о распределениях температуры и скорости.

Приведены результаты численных исследований сопряженного конвективного теплообмена в системе, геометрически подобной системе кристалл−газ−корпус ростовой камеры в методе Чохральского. Методом конечных элементов решены уравнения термогравитационной конвекции в приближении Буссинеска в переменных: температура, функция тока и вихрь в цилиндрических координатах. Исследована теплоотдача от кристалла в диапазоне чисел Грасгофа 100 ≤ Gr ≤ 10⁴ при фиксированной геометрии расчетной области. Изучена зависимость полей температуры в кристалле кремния от интенсивности конвекции в газе (аргоне).

Представлены результаты исследования теплового расширения графитов марок МПГ-6 и AXF-5Q, а также углеродного композита на основе изотопа ¹³С в интервале температур 293−1650 K. Измерения проведены дилатометрическим методом на установке DIL-402C производства фирмы NETZSCH (Германия) с погрешностью (1÷4)×10⁻⁷ K⁻¹. Получены аппроксимационные зависимости среднего интегрального коэффициента линейного расширения от температуры, рассчитаны справочные таблицы. Показано, что коэффициент теплового расширения композита ¹³С существенно меньше, чем у МПГ-6 и AXF-5Q. Дано объяснение этого явления.

Представлены результаты компьютерного моделирования отражательных свойств системы оксидная пленка−металл в процессе окисления в воздушной среде. В качестве исходных данных использовались комплексные показатели преломления для оксидной пленки и металла. Рассматриваются тонкие пленки (толщина пленки соизмерима с длиной волны падающего излучения) и толстые пленки (толщина пленки много больше длины волны падающего излучения). Для тонкой пленки выделен параметр, который характеризует цикличность отражательной способности системы в процессе роста толщины пленки. Показано, что параметр цикличности не зависит от оптических свойств металлической подложки. В воздушной среде этот параметр определяется комплексным показателем преломления пленки, ее толщиной и направлением падающего излучения. Для толстой пленки приведены соотношения для оценки отражательной способности системы в процессе роста оксидной пленки.

Выполнены исследования топочных процессов сжигания полифракционного высокозольного каменного экибастузского угля в топочной камере котельного агрегата ПК-39 и высоковлажного бурого березовского угля в топке котла БКЗ-210-140 на основе математического моделирования с использованием пакета прикладных программ FIRE 3D [1-3]. Приведены результаты численного моделирования процессов аэродинамики, теплообмена и горения в топочном объеме и их сравнение с результатами натурных испытаний.