Главная – Журналы – Теплофизика и аэромеханика 2017 номер 5

В работе представлена история подготовки и запусков первых искусственных спутников Земли в СССР и США, приведена статистика успешных и неудачных запусков в космос за 1957-2016 годы. Также приведены краткие сведения о семействах ракет-носителей, созданных на базе боевых баллистических ракет Р-7 (СССР), «Атлас» и «Титан» (США). В качестве примера эволюции ракет-носителей в течение длительного периода их эксплуатации подробно прослежено развитие семейства «Дельта» (США) за 50 лет, основой которому послужила баллистическая ракета средней дальности «Тор».

Рассмотрены некоторые способы управления тепловыми режимами при пространственном обтекании тела сверхзвуковым потоком, обусловленные одновременным воздействием вращения тела вокруг продольной оси, массового уноса с поверхности и перетеканием тепла в материале оболочки. Решение задачи в сопряженной постановке позволило учесть влияние неизотермичности стенки оболочки на характеристики тепломассообмена в пограничном слое. Выполнен анализ влияния вращения тела и вдува газа-охладителя на характеристики тепломассообмена в теплозащитном материале.

Выполнены измерения структуры кластированных сверхзвуковых недорасширенных струй молекулярного азота и аргона методом молекулярно-пучковой масс-спектрометрии. Обнаружены, идентифицированы и изучены особенности использования молекулярно-пучковых методов регистрации сверхзвуковых струй разреженных газов в условиях слабой и развитой конденсации, т.е. в присутствии малых и больших кластеров в струях. Выявлена и объяснена необычная форма продольных и поперечных сечений кластированных сверхзвуковых струй при сканировании молекулярно-пучковой системой. Установлено, что источником присутствующих вблизи оси потока двукратно ионизованных мономеров, а также ионов димеров на ранних стадиях конденсации являются малые кластеры и мономеры, тогда как в присутствии в потоке кластеров большого размера доминирует иной механизм формирования таких ионов. Предложен маркер фиксации стадии образования в сверхзвуковом потоке кластеров малого размера.

В рамках задачи об установившихся осциллирующих колебаниях в полузакрытом канале исследовано влияние свойств конечно-разностных схем интегрирования первого и второго порядков и степени дискретизации расчетной области на прогнозирование амплитудно-частотной характеристики колебаний давления. Показано, что использование схемы Годунова первого порядка точности из-за ее диссипативных свойств занижает амплитуду высокочастотных пульсаций по отношению к опытным данным. Применение схемы второго порядка точности Лакса-Вендроффа даже при сравнительно грубой дискретизации расчетной области дает качественное совпадение тенденции изменения амплитуды установившихся стоячих волн по номеру гармоники с экспериментальными данными.

Использование некоторых радиально-осевых турбин на повышенных расходах жидкости сопровождается сильными пульсациями давления и мощности. Эти пульсации связаны с гидродинамической неустойчивостью кавитирующего течения жидкости. Во многих случаях при эксплуатации турбины амплитуда таких пульсаций может быть существенно снижена путем вдува/впуска воздуха под рабочее колесо турбины. В настоящей работе такой эффект исследуется численно. Для этого в предложенную ранее авторами гибридную одно-трехмерную модель течения смеси «жидкость-пар» в проточном тракте гидроэлектростанции добавляется вторая газообразная компонента ¾ неконденсируемый воздух. Описываются граничные условия и численный метод для решения уравнений модели. Для проверки точности расчета границы раздела «жидкость-газ» численный метод сначала был применен для решения задачи о разрушении плотины. Затем алгоритм применялся для моделирования течения в гидравлической турбине с вдувом воздуха под рабочее колесо. Показано, что с увеличением расхода вдуваемого воздуха амплитуда пульсаций давления снижается. Выявлен механизм изменения структуры потока в конусе отсасывающей трубы, приводящий к стабилизации течения при вдуве воздуха.

Тестируется явная алгебраическая модель рейнольдсовых напряжений и вектора турбулентного потока тепла для планетарного пограничного слоя в нейтрально стратифицированном пограничном слое атмосферы над однородной шероховатой поверхностью. Рассматриваемый вариант алгебраической модели построен на физических принципах RANS (Reynolds-аverage Navier-Stokes) приближения для описания стратифицированной турбулентности, в нем используются три прогностических уравнения и показано правильное воспроизведение основных характеристик нейтрального пограничного слоя атмосферы ¾ компонент скорости среднего ветра, угла поворота ветра, турбулентной статистики. Тестовые расчеты показывают, что предложенная модель может быть использована для целенаправленных исследований атмосферного пограничного слоя.

Представлены результаты экспериментального исследования процесса гравитационного осаждения облака твердых монодисперсных сферических частиц с начальной объемной концентрацией С > 0,03 в широком диапазоне чисел Рейнольдса. Проведена аналитическая оценка режимов осаждения облака частиц. Предложен новый способ формирования сферического облака частиц с высокой начальной концентрацией. Определена качественная картина осаждения высококонцентрированного облака частиц. Получена критериальная зависимость для коэффициента сопротивления сферического облака частиц.

Представлены результаты компьютерного моделирования пленочного охлаждения плоской поверхности для различных схем пленочного охлаждения с подачей охладителя в поверхностные углубления различной формы. Расчеты выполнены в диапазоне изменения параметра вдува от 0,5 до 2,0, для сравнения использованы данные для традиционной схемы с одним рядом дискретных цилиндрических наклонных отверстий. При малых значениях параметра вдува ( m = 0,5) средняя эффективность пленочного охлаждения практически одинакова для всех исследованных схем. С увеличением параметра вдува наибольшую эффективность демонстрирует схема пленочного охлаждения с подачей охладителя в поперечную траншею.

Выведена система уравнений, на основе которой численным методом исследованы условия образования трехмерной термокапиллярной структуры на поверхности пленки жидкости, стекающей по нагревателю с фиксированной температурой. Формирование термокапиллярной структуры моделировалось посредством периодического возмущения в поперечном направлении, наложенного на двумерное течение. В расчетах показано, что трансверсальные возмущения могут развиваться в периодические ривулетные структуры на поверхности пленки, если число Марангони превышает некоторое пороговое значение. Выявлено, что ривулетная структура развивается в случае, когда период принадлежит некоторому диапазону, который определяется значением числа Марангони. Результаты расчетов хорошо согласуются с экспериментальными данными.

Проведены исследования процесса испарения керосина и воды на основе конвективного теплообмена в экспериментальной установке, моделирующей характерный объем топливного бака ступени ракеты-носителя. В качестве базовых критериев подобия при выборе конструктивных параметров данной установки ¾ параметров теплоносителя, модельных жидкостей ¾ использованы числа Рейнольдса, Прандтля, Био и Нуссельта. В качестве теплоносителя применялись газы, в том числе воздух, азот, а также в стадии предварительных экспериментов рассматривались продукты сгорания полибутадиена с концевыми гидроксильными группами (Hydroxyl-terminated polybutadiene, HTPB). Приняты граничные условия для жидкости, расположенной на пластине в виде капли, а также при ее равномерном пленочном распложении на пластине, размещаемой в экспериментальной модельной установке. На основе проведенных исследований получены значения температур для системы «газ-жидкость-стенка», определены площади массоотдающей поверхности и коэффициенты теплоотдачи газ-жидкость, газ-пластина для теплоносителей ¾ воздух, азот ¾ и для жидкостей ¾ вода, керосин. Проведен сравнительный анализ полученных результатов с известными данными. Сформулированы предложения для проведения экспериментов с использованием теплоносителя на основе продуктов сгорания HTPB.

Исследованы процессы нестационарного пространственного осесимметричного истечения вскипающей жидкости при мгновенной разгерметизации сосудов высокого давления на основе разработанной двухтемпературной двухфазной модели парожидкостной смеси с учетом парообразования и межфазного теплообмена в односкоростном однодавленческом приближениях. Численное моделирование проведено методом сквозного счета с использованием подвижных лагранжевых сеток. Дан сравнительный анализ расчетных и экспериментальных значений частот зародышеобразования c целью уточнения начального числа и радиуса микропузырьков, влияющих на интенсивность парообразования. Оценена достоверность полученных расчетов по двумерной и одномерной моделям путем сравнения с экспериментальными данными. Изучены особенности начальной стадии формирования пароводяной струи при истечении через тонкое сопло в зависимости от начального равновесного состояния воды для выбранных условий экспериментов.

Методом просвечивания образцов узким пучком гамма-излучения исследована взаимная диффузия в расплавах системы литий-свинец, содержащих 10,0, 15,0, 18,1, 20,0, 25,1, 30,2, 38,2, 40,1, 43,1, 46,7; 50,2, 60,2 и 70,0 ат. % Pb при температурах от 720 до 1030 K. Установлено, что концентрационная зависимость коэффициента взаимной диффузии имеет максимум в районе 20 ат. % Pb. Показано, что эта особенность связана с тенденцией к формированию ближнего порядка в жидких сплавах литий-свинец.

Выполнено численное моделирование процесса модифицирования поверхностного слоя металла тугоплавкими наноразмерными частицами с помощью импульсного лазерного излучения. Определены режимы импульсного лазерного воздействия, способствующие формированию течений для гомогенного распределения частиц модифицирующего вещества в расплаве при различных количествах поверхностно-активной примеси в металле. При модификации поверхностей деталей для улучшения их эксплуатационных свойств широко применяется лазерное излучение. Одним из перспективных способов решения этой задачи является модифицирование расплава наноразмерными специально подготовленными частицами тугоплавких соединений (карбиды, нитриды, карбонитриды и др.) [1]. При этом увеличение дисперсности частиц позволяет при сохранении их массы увеличить количество центров кристаллизации, а следовательно, измельчать структурные составляющие затвердевающего металла, повышая его однородность.

Представлены результаты численного моделирования истечения водяного теплоносителя с сверхкритическими начальными параметрами при торцевом разрыве трубопровода высокого давления. Предложена и апробирована неравновесная релаксационная модель фазового перехода, позволяющая рассчитывать как процесс вскипания, так и конденсации.

Экспериментально исследовались испаряющиеся капли воды, сидящие на горизонтальной нагреваемой подложке, в качестве которой использовалась константановая фольга толщиной 25 мкм, с размерами 42´35 мм². Эксперименты проводились с одной каплей или с ансамблем из двух или трёх капель на фольге. Температура нижней поверхности фольги измерялась ИК-сканером. Для определения плотности теплового потока при испарении жидкости вблизи контактной линии, решалась задача Коши для уравнения теплопроводности с использованием термографических данных. Результаты расчетов показали, что максимальная плотность теплового потока имеет место в области контактной линии и превосходит среднюю плотность теплового потока со всей поверхности фольги. Это объясняется притоком тепла с периферии фольги к капле за счет относительно высокого значения коэффициента теплопроводности материала фольги, а также высокой интенсивностью испарения в области контактной линии.