Главная – Журналы – Теплофизика и аэромеханика 2013 номер 6

С Эдуардом Петровичем Волчковым мы познакомились в начале шестидесятых годов, когда он по своему желанию приехал в Академгородок, убедившись во внутреннем стремлении стать ученым.

Проведены экспериментальные исследования и численное моделирование течения в вихревой камере с центробежным псевдоожиженным кипящим слоем твёрдых частиц. Рассмотрены камеры различной конфигурации, что позволяло изменять соотношение центробежных сил и сил тяжести. Предложена простая модель для оценки гидравлических потерь в вихревой камере.

На основании анализа проблемы создания сверхзвукового пассажирского самолета второго поколения показана необходимость разработки нетрадиционных активных методов снижения уровня звукового удара. На примере сверхзвукового обтекания тела вращения показано заметное влияние охлаждения поверхности на формирование структуры возмущенного течения вплоть до больших удалений от тела. Предложен метод снижения интенсивности промежуточной ударной волны и импульса избыточного давления вблизи тела, который позволяет увеличить протяженность области пониженного (до 50 %) уровня звукового удара и уменьшить интенсивность головной ударной волны в дальней зоне на 12 %. Показана возможность управления процессом формирования волновых структур типа висячих скачков давления, зарождающихся вблизи обтекаемой поверхности. Дается объяснение механизма криогенного воздействия.

Представлены результаты экспериментального исследования закрученного потока при горении обедненной пропановоздушной смеси в модельной камере сгорания при атмосферном давлении. Для исследования нестационарного турбулентного течения использован панорамный метод измерения скорости потока (Particle Image Velocimetry). В результате анализа полученных данных сделан вывод, что при сильной закрутке потока, как и в случае течения без горения, его динамика определяется глобальной спиральной модой неустойчивости, соответствующей прецессирующему вращению двойной спирали по направлению закрутки потока. В случае стабилизации слабой закруткой пламя обладает схожими характеристиками устойчивости и компактности, но амплитуда спиральных когерентных структур существенно осциллирует во времени одновременно с изменением интенсивности возвратного течения в окрестности оси струи. Таким образом, случай слабой закрутки, для которого отсутствует выраженная центральная зона рециркуляции, оставляет возможность более эффективного использования активных методов управления потоком и процессом горения. В частности, данный результат может быть полезен для устранения термоакустического резонанса в камерах сгорания.

Рассмотрены особенности тепломассообмена в ламинарном пограничном слое с горением при вдуве через проницаемую поверхность топливной смеси H₂/N₂. Показано, что при некотором значении параметра вдува среднее по длине значение теплового потока в стенку имеет максимум. Предложена аналитическая оценка для определения максимального теплового потока при горении в зависимости от интенсивности вдува. Полученные соотношения согласуются с результатами экспериментальных исследований и численного моделирования.

В экспериментах с горением этанола на горизонтальных поверхностях показаны наиболее общие свойства пограничного слоя с химическими и фазовыми превращениями. В их числе возникновение крупномасштабных структур и проявление объемных сил, влияющих на устойчивость течения и на тепломассоперенос. Показано, что диапазон скоростей, при которых существует горение в пограничном слое за ребром, шире, чем за уступом. Характер массообмена в потоке с горением за преградой становится переходным и остается таковым вплоть до срыва пламени. Над горизонтальной стенкой при числах Рейнольдса Re < 5×10⁴ интенсивность переноса вещества практически вдвое выше, чем в случае горения под стенкой. При переходе к горению под стенкой градиенты температуры на поверхности возрастают.

В статье представлены результаты экспериментального исследования влияния на отрывное турбулентное течение и теплообмен в плоской поперечной полости расположенного перед отрывом вихреобразующего элемента в виде малого поперечного ребра с высотой на порядок меньшей, чем глубина каверны. В опытах изменялся угол наклона передней и задней стенок каверны. Варьировалась высота малого ребра и его расстояние до каверны. Показано, что внесение дополнительных вихревых возмущений в рециркуляционную зону приводит к заметным изменениям вихреобразования, распределений коэффициентов давления и теплоотдачи. Оптимальные значения высоты минитурбулизатора и его местоположения определяются попаданием точки присоединения от миниребра на заднюю стенку каверны. При этом максимальное значение коэффициента теплоотдачи возрастает по сравнению со случаем отсутствия вихревого генератора до 30 %.

Представлены результаты экспериментального исследования пленочного охлаждения плоской поверхности однорядной системой наклонных отверстий, расположенных в «мелкой» траншее. Показано, что эффективность охлаждения рассматриваемой системы значительно превышает эффективность традиционной системы наклонных цилиндрических отверстий. При этом обеспечивается более равномерное покрытие поверхности пленкой охладителя. Внешняя турбулентность повышает эффективность охлаждения на 5…8 %, ускорение потока приводит к ее снижению на 10…15 %.

Представлены результаты экспериментального исследования влияния способов организации пристенных газовых завес на тепловую эффективность. Рассматриваются закрученные завесы при вдуве как по нормали к оси, так и при соосной подаче охлаждающего газа. Рассматривается влияние степени закрутки, соотношение плотностей обоих потоков, а также режимов течения на эффективность пристенных завес.

Дано краткое описание модели, экспериментального оборудования и программы испытаний. Изложена методика определения аэродинамических характеристик модели на установке свободных колебаний. Получены аэродинамические производные момента тангажа модели при двух положениях оси вращения и числах Маха M_∞ = 2, 4, 6. Выявлено, что при числе M_∞ = 2 модель с задним положением оси вращения не балансируется на малых углах атаки, а у модели с передним положением оси вращения возникают нерегулярные автоколебания.

Выполнен цикл экспериментальных исследований взаимодействия спутного газового потока с пристенной пленкой жидкости при высоких, включая сверхзвуковые, скоростях газового потока. С помощью зондов емкостного типа измерены локальные параметры пристенной пленки. Показано, что спутный газовый поток оказывает сильное воздействие на пристенную пленку, приводя к интенсивному волнообразованию, срыву капель с поверхности пленки и их уносу газовым потоком. Установлено, что относительное количество жидкости, уносимой спутным потоком, обобщается по числу Вебера газового потока.

Для изучения особенностей диффузии в гелях использован оптический метод, позволяющий в режиме реального времени визуализировать распространение вносимых в них примесей. Показано, что разложение в спектр отраженного излучения оптического диапазона позволяет получить дополнительную информацию не только о характере диффузионного распространения примеси, но и о состоянии самого геля. Были исследованы гели различной плотности и разного времени жизни, на основании чего установлено сильное влияние этих параметров на скорость процесса диффузии. Выявлено принципиальное различие скоростей диффузии в гелях истинных растворов и растворов, содержащих наночастицы. Экспериментально обнаружено явление анизотропии при объемной диффузии примесей в гелях, предложено физическое объяснение этого явления.

Численно исследуется метод энергоразделения в высокоскоростном потоке, предложенный А.И. Леонтьевым. Анализируется адиабатное течение сжимаемого газа с малым числом Прандтля (гелий-ксеноновой смеси) в плоском узком канале и течение с теплообменом в канале, разделённом теплопроводной стенкой. Проводятся оценки коэффициента восстановления температуры на адиабатной стенке, степени охлаждения низкоскоростной части потока, температурной эффективности и адиабатного КПД в канале с теплообменом. Впервые получены данные, позволяющие сравнить эффективность энергоразделения в высокоскоростном потоке с эффективностью аналогичных процессов в вихревых трубках и других устройствах газодинамического энергоразделения.

На примере ZrO₂ рассмотрен эффект расширения полых микросферических капель вследствие их нагрева при движении в плазменной струе. Предложена достаточно простая модель, учитывающая изменение размера капель и толщины оболочки вследствие термического расширения газовой полости, а также их возможного испарения. Проведенные расчеты позволили оценить масштаб изменения диаметра (10-20 %) и толщины оболочки (до 50 %) частиц ZrO₂ в условиях, характерных для плазменной обработки порошковых материалов и нанесения покрытий. Исследовано влияние данного эффекта на динамику нагрева и ускорения частиц, а также выполнен сравнительный анализ поведения полых и плотных частиц в плазменной струе.