Главная – Журналы – Теплофизика и аэромеханика 2017 номер 6

Анализируются современные представления о работе сверхзвуковых воздухозаборных устройств высокоскоростных воздушно-реактивных двигателей. Показано, что при нерасчетных режимах работы воздухозаборника течение в канале двигателя становится весьма сложным. Последнее приводит к непредсказуемым последствиям и, в частности, к незапуску воздухозаборника. Выражение «незапуск воздухозаборника» в настоящей статье рассматривается как синоним отсутствия теоретического понимания и предсказания происходящих газодинамических явлений. Предлагаются подходы к обеспечению авторегулирования системы «воздухозаборник-камера сгорания» для ПВРД. Указаны направления дальнейших исследований по обеспечению устойчивой работы воздухозаборных устройств в широком диапазоне полетных условий.

Рассматривается сопряженный НС-ПСМ метод, совмещающий решение уравнений Навье-Стокса (НС) с методом прямого статистического моделирования (ПСМ) и позволяющий осуществлять адаптацию поверхности раздела и стыковку в обоих направлениях для моделирования эффектов, возникающих при падении струи космических двигателей на препятствия. Поверхность раздела между сплошной средой и разреженным газом определяется путем комбинирования параметров нарушения гипотезы сплошности среды Kn_GL и P _tne. Применяется основанная на текущим состоянии системы схема стыковки для передачи информации между решателями для сплошной и разреженной сред. Для реализации сопряженного метода исследуется метод взаимно перекрывающихся сеток для комбинирования НС-программы, использующей структурированную сетку, и программы ПСМ, использующую декартову сетку. Задача об истечении струи из конического сопла, падающей на коническую поверхность, моделируется с использованием сопряженного метода. Результат моделирования подтверждается экспериментальными данными, что доказывает справедливость предложенного метода. С помощью НС-ПСМ метода для демонстрации его возможностей рассчитано струйное течение, возникающее при подъеме лунного модуля с поверхности Луны. Смоделировано все поле течения от камеры сгорания до вакуумной среды, и обнаружено, что особое внимание следует уделять аэродинамической силе струи на ранней стадии процесса запуска.

Исследуется структура потока в четырехвихревой топке пылеугольного котла. Представлены результаты экспериментального исследования внутренней аэродинамики, выполненного на лабораторной изотермической модели топочного устройства. С помощью метода цифровой трассерной визуализации получены распределения скорости потока в ряде сечений, проанализирована пространственная структура течения, состоящая из четырех устойчивых сопряженных замкнутых вихрей с вертикальными осями вращения потока.

С использованием пакета ANSYS Fluent и модуля построения расчетных сеток ANSYS ICEM CFD проведены расчеты обтекания профиля крыла, бесконечного цилиндра, затупленных пространственных тел в открытой и в закрытой рабочей части дозвуковых аэродинамических труб малых скоростей. Примененная математическая модель течения включала уравнения Рейнольдса и SST-модель турбулентности. Установлено, что отношения значений аэродинамических коэффициентов в рабочей части и в свободном (безграничном) потоке могут быть аппроксимированы кусочно-линейной функцией от параметра загромождения, значение которой слабо зависит от угла атаки. Результаты расчетов и анализа опубликованных экспериментальных исследований находятся в хорошем соответствии. Рассмотрено влияние удлинения закрытой рабочей части на подъемную силу профиля крыла.

Выполнено численное моделирование вырождения безымпульсного закрученного турбулентного следа за телом вращения. Показано, что начиная с расстояний порядка 1000 диаметров от тела течение выходит на автомодельный режим. На основе результатов численного анализа течения построены упрощенные математические модели дальнего следа.

Представлены результаты экспериментальных исследований поперечного обтекания кругового цилиндра, установленного вблизи стенки в канале прямоугольного поперечного сечения. Эксперименты проводились в диапазоне чисел Рейнольдса, соответствующих переходу к турбулентности в следе за цилиндром. Выполнены визуализация течения и SIV-измерения мгновенных полей скорости. Приведен анализ эволюции структуры течения за цилиндром и процесса формирования регулярных вихревых структур. Показано, что спиралевидное движение жидкости от боковых стенок канала к его плоскости симметрии, характерное для обтекания расположенного на стенке канала поперечного выступа, в случае обтекания цилиндра отсутствует. Процесс ламинарно-турбулентного перехода в следе за цилиндром обусловлен потерей устойчивости сдвигового слоя.

Представлены основные результаты исследования крупномасштабного вовлечения слоев термовязкой жидкости с различной температурой и их последующего перемешивания, наблюдаемого в плоскопараллельном течении, профиль скорости которого имеет точку перегиба. Показано, что процесс развития неустойчивости в канале происходит наиболее интенсивно в окрестности точки перегиба, причем он напрямую не связан с генерацией завихренности в пристеночной области. Рассматриваемое течение, оказывающееся неустойчивым относительно гармонических возмущений конечной амплитуды, имеет ряд резонансных частот, вызывающих наиболее активное вовлечение. Также проведен анализ температурных полей на основе осредненной толщины вовлечения и смещения среднего положения изолинии температуры. Обсуждаются спектральные характеристики полей энстрофии, завихренности, кинетической энергии с точки зрения асимптотики наблюдаемых каскадов и существования когерентных структур. С помощью критерия Окубо-Вейса выделены четыре области течения, в которых возможна активная филаментация турбулентной пелены или длительное существование вихревых структур.

Путем релаксации теплового потока и градиента температуры в формуле закона Фурье для теплового потока при использовании уравнения теплового баланса получено дифференциальное уравнение теплообмена с учетом диссипации энергии и пространственно-временнóй нелокальности. Исследование численного решения задачи теплообмена при ламинарном течении жидкости в плоском канале показало невозможность мгновенного принятия граничного условия первого рода - процесс его установления при малых значениях коэффициентов релаксации занимает некоторый конечный отрезок времени, продолжительность которого определяется теплофизическими и релаксационными свойствами жидкости. При больших значениях коэффициентов релаксации принятие граничного условия первого рода возможно лишь при Fo -> oo. Учет теплоты трения приводит к изменению температурных профилей, связанному с возникновением участков повышенных температур в зоне максимальных градиентов скорости. С увеличением коэффициентов релаксации происходит сглаживание профилей температур, и при некоторых больших их значениях охлаждение жидкости происходит при безградиентном по поперечной пространственной переменной изменении температуры и, следовательно, температура оказывается зависящей лишь от времени и от продольной координаты.

Решается гиперболическое уравнение теплопроводности для цилиндра с заданным тепловым потоком в качестве граничного условия. Уравнение решается аналитически и с использованием метода разделения переменных. В результате расчета получены температурные профили, которые позволяют сделать вывод о волновом характере этого вида теплопроводности. Установлено, что по мере увеличения числа Вернотта температура может достигать более высоких значений. Кроме того, из полученных профилей видно, что температура в разных точках объекта может становиться даже ниже своего начального значения.

Проведено экспериментальное моделирование сжигания стехиометрической пропан-кислородной смеси для квазицилиндрических пузырей с негладкой границей с помощью поливинилхлоридных трубок с препятствиями из множественных и одиночных капель воды и шариков из полистирола и стали. Показано, что переход горения в детонацию происходит как перед препятствием, так и за ним, независимо от материала препятствия.

Методом лазерной вспышки измерены коэффициенты теплопроводности λ и температуропроводности a жидкого рубидия в интервале температур от точки плавления до 873 K. Погрешность измерений составила 4-6 %. Проведено сравнение данных настоящей работы с результатами других авторов. Получены аппроксимационные уравнения и таблица справочных значений для температурной зависимости l и a . Рассчитана зависимость числа Лоренца от температуры.

Проводится сравнение термодинамической эффективности дросселирующих устройств и детандер-генераторных агрегатов, применяемых для технологического понижения давления транспортируемого газа на газораспределительных станциях и газорегуляторных пунктах системы газоснабжения. Рассматриваются различные схемные решения детандер-генераторных агрегатов, позволяющие генерировать либо только электроэнергию, либо электроэнергию и холод. В качестве критерия оценки термодинамической эффективности принимается эксергетический КПД. Показано, что замена дросселирующего устройства на детандер-генераторный агрегат при принятых для расчета условиях приводит к увеличению эксергетического КПД станции технологического понижения давления транспортируемого газа при всех рассмотренных схемах включения данного агрегата: без подогрева газа в детандер-генераторном агрегате, с подогревом газа после детандера, перед детандером, а также до и после детандера.

Экспериментальные исследования при гиперзвуковых числах Маха, как правило, проводятся в трубах кратковременного действия. В этих установках данные о пульсациях в пограничном слое измеряются в основном поверхностными датчиками давления. Существует множество факторов, влияющих на уровень пульсаций на стенке модели, поэтому для анализа развития волновых пакетов в пограничном слое часто применяется кросс-корреляционный анализ. Однако использование стандартного корреляционного метода обработки данных часто не позволяет наблюдать за эволюцией волновых пакетов. В настоящей работе предложен новый метод получения кросс-корреляционных данных на базе вейвлет преобразования.

В рамках слабонелинейной теории устойчивости второго порядка по нелинейности исследуется порождение периодических колебаний в сверхзвуковом пограничном слое при умеренном и высоком числах Маха (М = 2 и 5,35). Модель включает эффекты самовоздействия, такие как генерация стационарных вторичных гармоник и возмущений двойных частот. Показано, что для двумерных вихревых возмущений при увеличении числа Маха меняется характер возбуждения с мягкого на жесткое, что приводит к уменьшению критического числа Рейнольдса Re_c. Для трехмерных возмущений небольших азимутальных волновых чисел устанавливается закритический автоколебательный режим. Сложный режим реализуется для двумерных акустических колебаний при М = 5,35 с жестким возбуждением в области Re_c.

Экспериментально исследована динамика разрыва горизонтальных слоев различных жидкостей (этанол, вода) толщиной 300 мкм в условиях точечного нагрева со стороны подложки. Определены основные стадии процесса разрыва слоев жидкости и измерено время формирования сухого пятна, составившее 7,85 с для этанола при тепловом потоке 12,6 Вт/см² и 0,13 с ¾ для воды при тепловом потоке 117 Вт/см². Обнаружено, что для обеих рабочих жидкостей перед разрывом слоя жидкости возникает остаточный слой в области точечного нагрева. Показано, что наряду с термокапиллярным эффектом испарение является одним из основных факторов, влияющих на динамику разрыва слоя жидкости и формирование сухого пятна.

В работе теоретически исследованы особенности формирования стационарного температурного поля диэлектриков при облучении непрерывным пучком ионов в воздухе с учетом температурной зависимости теплофизических величин. Найдены аналитические выражения для температурного поля. Получена система взаимосвязанных нелинейных алгебраических уравнений для установившейся температуры облучаемой и тыловой поверхностей образца, а также на границе зоны поглощения ионов (остальная часть образца), численным решением которой установлена нелинейная зависимость этих величин от параметров падающего потока.

Проведено исследование установления профиля температуры при радиационном остывании диспергированной пелены капельных холодильников-излучателей. Показано, что процесс установления происходит немонотонно. Выполнен анализ влияния закономерностей исследуемого процесса на характеристики излучательных систем.

14 декабря 2017 г. исполняется 75 лет известному украинскому ученому в области теплофизики и теплоэнергетики, действительному члену Национальной академии наук Украины, доктору технических наук, профессору Артёму Артёмовичу Халатову.