Главная – Журналы – Прикладная механика и техническая физика 2015 номер 3

Представлены результаты экспериментального исследования и численного моделирования процессов тепло- и массопереноса в высоковязкой углеводородной жидкости, вязкость и теплопроводность которой зависят от температуры, под действием высокочастотного электромагнитного поля с учетом естественной тепловой конвекции.

Исследован процесс распространения электромагнитного излучения в трехслойной движущейся среде. Показано, что за счет интерференции падающей и отраженной от границы слоев волн при диссипации энергии излучения образуются бегущие температурные волны. Установлено, что частота, длина и скорость этих волн зависят от частоты электромагнитного излучения, электрофизических и теплофизических параметров среды и скорости ее движения.

Исследовано воздействие сильной ударной волны на слабоионизированную столкновительную плазму. Численно изучена структура ионно-звукового возмущения, вызванного ударной волной. Показано влияние нелинейности, дисперсии и диссипации на формирование осциллирующего профиля волны. Установлено, что в некоторых режимах при увеличении скорости ударной волны происходят резкое увеличение концентрации заряженных частиц и уменьшение числа максимумов возмущения. До этого изменения структуры течения возможно формирование локализованных областей с повышенной степенью ионизации плазмы. Показано, что наличие сгустков плазмы может приводить к сильному воздействию зарядов на нейтральный компонент.

Рассмотрены волновые процессы в центрифугированном слое несжимаемой вязкой проводящей жидкости, находящейся в аксиальном магнитном поле, в полости быстро вращающегося бесконечного цилиндра с изолирующими стенками. Инерционные моды - решения линеаризованной краевой задачи магнитогидродинамики - представлены в виде суперпозиции винтовых полей. Приведены выражения для параметров завихренности винтовых течений, формирующих инерционную моду, при малом числе Стюарта. Построены дисперсионные кривые инерционных волн и проанализировано влияние магнитного поля на поле течения. Определены критические частоты, на которых возникает низшая (поверхностная) мода. Исследованы пространственная и временнaя устойчивости мод.

Приведены результаты экспериментов по нагружению пакета плотно прилегающих металлических пластин косой ударной волной, в которых зарегистрирована потеря устойчивости контактной границы между пластинами. Показано, что периодические волнообразные возмущения формируются при развитии неустойчивости Кельвина - Гельмгольца за время, в течение которого контактная граница совершает поворот вследствие ударно-волнового воздействия. Установлено, что конечная амплитуда и длина волн возмущений определяются толщиной разупрочненного слоя при пластическом течении.

Проведен анализ точности известных и новых методов моделирования с использованием гипотез локальности и плоских сечений для решения задач об ударе и плоскопараллельном движении конических тел под углом к свободной поверхности полупространства, занимаемого упругопластической грунтовой средой. На основе решения одномерной задачи о расширении сферической полости определены параметры квадратичной по скорости модели локального взаимодействия. В пренебрежении потоками массы и импульса в окружном направлении с помощью подхода, в котором используется гипотеза плоских сечений, совместно решены осесимметричные задачи для каждого меридионального сечения. Проведено сравнение полученных в рамках модифицированных моделей силовых и кинематических параметров процесса наклонного проникания с данными компьютерного моделирования в трехмерной постановке. Показано, что результаты, полученные с учетом распределения контактных напряжений вдоль образующей заостренного конуса, удовлетворительно согласуются.

Представлены дисперсионные характеристики волновых процессов в мягких упругих биососудах с протекающей по ним биожидкостью. Показана возможность существования фиксированных структур течения в сосудах. Рассмотрена возможность применения полученных результатов при исследовании биосистем.

Рассмотрено расслоенное ламинарное течение нескольких жидкостей в канале произвольной формы. Считается, что гидростатическая задача нахождения свободных границ между разными жидкостями решена и области, в которых движутся отдельные жидкости, известны. В предположении, что движение среды возникает под действием приложенного градиента давления и объемных сил тяжести (или сил инерции), доказано в общем виде свойство взаимности между приложенными силами F_j и потоками разных компонентов Q_i, проявляющееся в симметрии матрицы коэффициентов расхода L_ij (Q_i = L_ijF_j). Представлены общие симметричные решения задачи для плоского канала и круглой трубы. Получены формулы для коэффициента увеличения расхода жидкости за счет наличия пристенного слоя газа. Показано, что при частичном заполнении канала расход воды может на порядок превышать расход при его полном заполнении.

Представлены результаты исследования натекания сверхзвуковой недорасширенной воздушной струи на пористую металлическую преграду конечной толщины, передняя плоскость которой перпендикулярна оси струи, а боковая поверхность непроницаема для газового потока. Для определения влияния пористости на газодинамические характеристики взаимодействия струи с препятствием рассмотрен также случай непористой преграды того же диаметра.

Рассмотрена математическая модель течения в круглой затопленной турбулентной струе, включающая дифференциальные уравнения переноса нормальных компонент тензора рейнольдсовых напряжений и алгебраические аппроксимации Роди для касательных напряжений. Выполнен теоретико-групповой анализ исследуемой модели, получена редуцированная автомодельная система обыкновенных дифференциальных уравнений, которая решена численно. Показано, что результаты расчетов согласуются с имеющимися экспериментальными данными.

Численно исследовано влияние электрического разряда в сверхзвуковом газовом потоке, моделируемого источником тепла заданной интенсивности и конфигурации, на развитие турбулентного пограничного слоя перед плоской ступенькой. Показано, что в случае достаточно большой мощности разряда передача тепла к стенке не оказывает влияния на положение точки отрыва, который возникает при сдвиговом напряжении на поверхности тела, не равном нулю, и обусловлен развитием возвратного течения в ядре пограничного слоя.

Проведен анализ известных экспериментальных данных об аэродинамике ротора Дарье с прямыми лопастями. Установлены диапазоны значений основных параметров ротора, при которых ротор имеет высокие энергетические характеристики, способен самостоятельно запускаться и равномерно вращаться вокруг своей вертикальной оси. На основе полученных результатов разработана методика расчета геометрических параметров ротора, удовлетворяющего заданным условиям эксплуатации.

Исследуется влияние тепловыделения и объемной доли наночастиц на неустановившееся свободное конвективное течение наножидкости вблизи внезапно начинающей движение бесконечной пластины. Изучаются наножидкости с наночастицами оксида алюминия, меди, оксида титана и серебра, имеющими объемную долю, не превышающую 0,04. Для решения безразмерных дифференциальных уравнений задачи используется преобразование Лапласа. Результаты исследования влияния тепловыделения и объемной доли частиц на распределение скорости и температуры в наножидкости представлены в виде графиков. Получены выражения для коэффициента поверхностного трения и числа Нуссельта. Установлено, что среди всех рассмотренных типов наночастиц наиболее существенное влияние на теплофизические свойства наножидкости оказывают наночастицы серебра. Полученные результаты согласуются с известными данными.

Исследована задача о смешанном конвективном течении жидкости и теплообмене наножидкости Al₂O₃ — вода с теплопроводностью и эффективной вязкостью, зависящими от температуры и концентрации наночастиц, в каверне с движущейся крышкой и нагретым прямоугольным препятствием. Управляющие уравнения дискретизированы с помощью метода конечного объема, для связи полей скорости и давления применялся алгоритм Simple. С использованием разработанного кода изучено влияние числа Ричардсона, диаметра и объемной доли твердой фазы наночастиц Al₂O₃ на течение, тепловые поля и теплообмен в каверне. Показано, что во всем диапазоне значений объемной доли твердой фазы с увеличением числа Ричардсона и диаметра наночастиц среднее число Нуссельта уменьшается. Также установлено, что добавление в жидкость наночастиц Al₂O₃ приводит к значительному увеличению скорости теплообмена по сравнению со случаем чистой жидкости.

Проведено численное моделирование трехмерных затопленных гидравлических скачков. При моделировании формы свободной поверхности использовался метод объема жидкости. Турбулентная структура течения моделировалась с помощью следующих моделей турбулентности: стандартная κ-ε, ренорм-групповая (RNG) κ-ε, реализуемая κ-ε, а также с помощью схем замыкания модели напряжения Рейнольдса (RSM). Исследованы модели турбулентности, в которых используются стандартные пристенные функции и методы расширенного описания пристенного течения. Проведено сравнение расчетных и экспериментальных данных. Показано, что численная модель достаточно точно описывает структуру течения и форму свободной поверхности затопленных гидравлических скачков. Установлено, что расчеты по RNG (κ-ε)-модели турбулентности с использованием метода расширенного описания пристенного течения являются наиболее точными при моделировании формы поверхности воды. Результаты расчета по модели RSM с использованием метода расширенного описания пристенного течения лучше согласуются с экспериментальными данными о продольной скорости в полностью развитой области течения вблизи дна канала, чем результаты расчетов по другим моделям турбулентности. Результаты расчетов продольной скорости с использованием стандартной (κ-ε)-модели также являются более точными, чем результаты расчетов по модели RNG и реализуемой (κ-ε)-модели.

Исследуется массоперенос в пограничном слое химически активного раствора в окрестности лобовой точки на сжимающейся поверхности при наличии однородного диффузионного потока массы. Рассматривается химическая реакция первого порядка. С использованием преобразований подобия система управляющих уравнений в частных производных сводится к системе автомодельных нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений, которые решаются численно с помощью метода пристрелки. Найдены двойные решения уравнений для концентрации раствора. Показано, что с увеличением отношения скоростей в случае первого решения концентрация раствора в точке увеличивается, а в случае второго решения - уменьшается. При наличии потока массы с увеличением числа Шмидта и параметра скорости реакции концентрация и толщина концентрационного пограничного слоя уменьшаются.

Представлены результаты численного исследования влияния положительного градиента давления в осесимметричном диффузоре при внезапном расширении круглой трубы на аэродинамику и турбулентный теплоперенос в зонах отрыва, присоединения и релаксации течения. Течение воздуха перед отрывом полагалось полностью турбулентным при постоянном числе Рейнольдса Re_D1 = 2.75×10⁴. Степень расширения трубы составляла 1,78, а полуугол раскрытия диффузора изменялся в диапазоне от 0 до 5 ^oC. Установлено, что увеличение градиента давления приводит к уменьшению интенсивности теплообмена в отрывной области и удалению точки максимальной теплоотдачи от точки отрыва потока. Проведено сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными. Показано, что при изменении продольного градиента давления поведение отрывного потока за ступенькой значительно изменяется.

Проведено исследование характеристик процесса теплообмена в режиме нагрева сверху осциллирующего потока рабочей жидкости в системе, состоящей из замкнутой тепловой трубки и запорных клапанов. В качестве рабочей жидкости использовался этанол с коэффициентом наполнения рабочей жидкостью суммарного объема трубки, равным 30, 50 и 80 %. Тепловая трубка с внутренним диаметром 2,03 мм изготовлена из меди. Угол наклона системы относительно горизонтальной оси составлял 90 ^oC, число поворотных колен системы равно 40, количество запорных клапанов равно двум, длина испарителя - 50, 100, 150 мм, рабочие температуры - 44 и 55 ^oC. Установлено, что с увеличением рабочей температуры тепловое сопротивление значительно уменьшается. При этом длина испарителя оказывает влияние на тепловое сопротивление тепловой трубки. Показано, что использование системы, состоящей из замкнутой тепловой трубки и запорных клапанов, в режиме нагрева сверху позволяет улучшить тепловые характеристики.

Приведены результаты экспериментального исследования акустической эмиссии, возникающей в образцах каменной соли вследствие их локального и объемного нагревания при статическом механическом нагружении, предшествующем нагреванию или происходящем одновременно c ним. Определены параметры термостимулированной акустической эмиссии (ТАЭ) в каменной соли в зависимости от ее структурной неоднородности. Установлены закономерности изменения активности ТАЭ в образцах исследуемого геоматериала при их объемном нагревании и последующем остывании в зависимости от величины предварительного механического нагружения. Показана возможность использования выявленных закономерностей для прогнозирования процесса разрушения каменной соли в массиве по результатам измерений ТАЭ в извлеченном из него керне.

Предложена постановка задачи термоупругости с учетом поперечного сдвига для цилиндрической оболочки из функционально-градиентного материала, находящейся под действием внешнего и внутреннего давлений. С использованием энергетического метода и процедуры осреднения характеристик материала по толщине оболочки построена система дифференциальных уравнений второго порядка, которая может быть использована для решения задач при произвольном законе распределения свойств материала по толщине оболочки. Предложенную теорию можно применять при решении технологической задачи создания материалов или конструкций с заданным законом распределения свойств материала по их объему.

Приведены результаты экспериментального исследования распространения трещины по третьей моде в стали марки E26-2. Для образцов, имеющих различные толщину и ширину, получены зависимости величины продвижения трещины от приложенной силы. С использованием энергетического подхода определены предельное значение коэффициента интенсивности напряжений и работа, необходимая для продвижения трещины. Показано, что эти величины зависят от толщины и геометрии образца.

Решена задача о напряженном состоянии кусочно-однородного упругого тела с полубесконечной трещиной на линии раздела сред, в которую в окрестности вершины впаяно тонкое жесткое остроконечное включение конечной длины. Берега трещины нагружены заданными напряжениями, на бесконечности тело растягивается заданными нормальными напряжениями, действующими вдоль трещины. На включение действуют внешние силы, имеющие заданные главный вектор и момент. Задача сведена к матричной краевой задаче Римана с кусочно-постоянным коэффициентом. С использованием гипергеометрической функции Гаусса построено решение этой задачи в явном виде. Найдены угол поворота включения, комплексные потенциалы, коэффициенты интенсивности напряжений вблизи концов включения.

Экспериментально и теоретически с использованием физико-феноменологической модели циклической и близкой к ней пластической деформации с большими интенсивностями деформации, накопленными за один и несколько циклов, исследован процесс пластического структурообразования алюминия марки АД1. На основе полученных результатов проведена верификация предложенной модели процесса, уточнено понятие интенсивной пластической деформации, исследована ее роль в процессе структурообразования и показано существование предела измельчения зерен при обработке металлов деформационными методами.

Приведено решение краевой задачи о напряженно-деформированном состоянии узла трения, помещенного в зазор между жесткими вращающимися цилиндрами. Полагается, что двухслойный несжимаемый материал такого узла обладает упругими, вязкими и пластическими свойствами и различными значениями упругих модулей, предела текучести и вязкости. Установлены условия возникновения вязкопластического течения, закономерности движения по деформируемой среде упругопластической границы и взаимодействия последней с контактной границей материалов. Приведены предельные значения параметров, характеризующих вращения, при которых демпфирующий слой узла трения пластически не деформируется. Рассчитаны поля скоростей и напряжений при ускорении течения в смазке и его замедлении.