Главная – Журналы – Теплофизика и аэромеханика 2018 номер 2

Экспериментально изучена возможность управления турбулентным пограничным слоем крылового профиля NACA 0012 с целью улучшения его аэродинамических характеристик в несжимаемом потоке. Управление течением осуществлялось в диапазоне углов атаки -12 ¸ 12° путем применения стационарного комбинированного вдува/отсоса воздуха через мелкоперфорированные поверхности, расположенные, соответственно, на наветренной и подветренной сторонах крыла и являющихся частью его обтекаемой поверхности.

С использованием дифференциальной модели турбулентности, дополненной уравнением переноса для турбулентного потока тепла, проведено численное исследование зависимости турбулентного числа Прандтля от молекулярного числа Прандтля, интенсивности вдува (отсоса) газа через проницаемую стенку и параметра ускорения (торможения) набегающего потока. В качестве газовых теплоносителей рассмотрены воздух и смеси гелия с ксеноном и с аргоном, а в качестве жидкостных - ртуть, вода и трансформаторное масло. Полученные результаты расчетов согласуются с имеющимися экспериментальными данными для турбулентного числа Прандтля и величинами, входящими в его определение.

Проведены экспериментальные исследования по влиянию распределенного вдува тяжелого газа (элегаза SF₆) в пристеночный слой сверхзвукового (число Маха набегающего потока М_∞ = 2) пограничного слоя плоской пластины на его устойчивость к естественным возмущениям. Получено, что при инжекции тяжелого газа в линейной области развития поля возмущений происходит стабилизация пограничного слоя. Впервые экспериментально показано, что при инжекции элегаза возмущения на частотах более 15 кГц затухают в исследованном диапазоне значений продольной координаты.

Представлены результаты экспериментального и численного исследований особенностей обтекания сверхзвуковым потоком модели прямого уступа с расположенной перед ним газопроницаемой вставкой с изменяемой пористостью при числах Маха набегающего потока M = 2,0, 2,5, 3,0 и числе Рейнольдса Re = 5x10⁵. Газопроницаемая вставка представляла собой участок перфорированной пластины или высокопористого проницаемого ячеистого материала. Визуализация течения теневым методом, PIV и сажемасляной пленкой показала, что характерный размер области вихревого течения существенно снижается при увеличении пористости вставки. В численных расчетах при высоких значениях пористости вставки получены данные о смещении области рециркуляционного течения внутрь пористого материала.

Рассматриваются продольные симметричные и асимметричные автомодельные течения вязкой несжимаемой жидкости в полубесконечном прямом двугранном угле с заданным продольным градиентом давления. Выведены уравнения, которые описывают такие течения в приближении пограничного слоя. Теоретически исследовано асимптотическое поведение решений выведенных уравнений вдали от ребра угла. Развит новый метод расчета этих решений. Получены решения двух типов асимптотического поведения.

Для решения задачи регенерации костной ткани перспективной является технология, использующая для замещения поврежденных тканей собственные клетки пациента, размещенные в трехмерном каркасе - скаффолде. Для разработки данной методики был сконструирован новый биологический реактор ротационного типа, в котором полотно скаффолда вращается в среде для выращивания клеток. Был построен вычислительный алгоритм на основе программы ANSYS, позволяющий оценивать в новом биореакторе уровень механической нагрузки на клетки, влияющей на их свойства. Алгоритм позволяет рассчитывать значения касательного напряжения и статического давления, действующих на поверхности скаффолда. Расчеты показали, что в предложенном ротационном биореакторе достигается необходимое касательное напряжение на внешней поверхности внутреннего цилиндра (0,002-0,1 Па) в диапазоне частот вращения 0,083 < f < 0,233 Гц. В то же время результаты вычислений выявили наличие неоднородности в распределении механического воздействия вдоль полотна скаффолда, связанной с появлением в зазоре цилиндров двух вихрей Тейлора с противоположными направлениями вращения. Эксперименты по визуализации поля течения внутри ротационного биологического реактора показали качественное соответствие характера течения результатам численного расчета. Предложенный вычислительный алгоритм может с достаточной точностью моделировать течение жидкости в реальной системе. Полученные зависимости можно использовать на практике для создания оптимального микроокружения выращиваемых в биологическом реакторе клеток.

Проведены измерения распределения скорости жидкости и ее пульсаций в межтвэльном пространстве 7-стержневой экспериментальной модели тепловыделяющей сборки АЭС при числах Рейнольдса 8000, 1600, 24000. Определено влияние дистанционирующей решетки на распределение осевой компоненты скорости жидкости. Показано, что относительные значения скорости жидкости и ее пульсаций не зависят от числа Рейнольдса и определяются расстоянием от дистанционирующей решетки.

Динамика кипения жидкости на обогреваемой поверхности исследуется в рамках эквивалентной задачи динамики температуры тепловыделяющего элемента. Соответствующее уравнение баланса тепла выводится в концепции кривой кипения. Показано, что структурная неустойчивость потенциала кривой кипения приводит к необходимости исследования задачи о флуктуациях температуры поверхности, на которой происходит кипение. Теоретический анализ уравнения Ито для модели рассматриваемой системы показал, что при определенной интенсивности внешнего случайного воздействия система переходит из одного состояния самоорганизованной критичности в другое. Эти процессы сопровождаются 1/f^α -шумом (фликкер-шумом), который рассматривается как объективный показатель кризиса кипения. Теоретические результаты подтверждаются экспериментальными данными других авторов.

Представлены экспериментальные зависимости макрокраевого угла и диаметра растекания капли дистиллированной воды по твердой микроструктурированной поверхности от среднеарифметического отклонения профиля поверхности (Ra) и расхода жидкости (G). Установлено, что при изменении G от 0,005 до 0,02 мл/c краевой угол уменьшается, а при расходе жидкости больше 0,02 мл/c - увеличивается. При малых значениях G (0,005-0,01 мл/c) диаметр капли растет на протяжении всего процесса растекания. В диапазоне G от 0,02 до 0,16 мл/c на завершающей стадии растекания зафиксирован пиннинг контактной линии - постоянство диаметра. Сформулирована гипотеза о механизме процесса пиннинга: он обусловлен равенством нулю суммы всех сил, действующих на каплю (инерции, вязкости, трения, тяжести, поверхностного натяжения).

Выполнено численное моделирование производства энтропии при двумерной смешанной конвекции наножидкостей на основе воды и Cu, Ag, Al₂O₃ и TiO₂ в квадратной полости с подвижной верхней стенкой и двумя источниками тепла. На верхней крышке и нижней стенке полости поддерживалась низкая температура T_C. Определяющие уравнения с граничными условиями решались методом конечных объемов. Сравнение с предыдущими результатами показало хорошее согласование. В работе исследуется влияние объемной доли твердой фазы (0 ≤ φ ≤ 0,10), чисел Рэлея (10³ ≤ Ra ≤ 10⁵) и Рейнольдса (1 ≤ Re ≤ 500) и разных видов наножидкости на общую энтропию S_t и производство энтропии за счет теплообмена S_h, а также влияние положения источников тепла на производство общей энтропии и число Бежана. Установлено, что S_t и S_h уменьшается с увеличением φ, Ra, и Re.

Представлены результаты экспериментального исследования влияния теплового следа, формируемого инжекцией газа и оптическим пульсирующим разрядом (ОПР), на силу аэродинамического сопротивления тела в сверхзвуковом потоке воздуха с числом Маха M = 1,45. С использованием однокомпонентных аэродинамических весов определено влияние инжектируемой дозвуковой струи и теплового следа от ОПР на силу аэродинамического сопротивления модели в виде полусферы на цилиндре. Показано, что при увеличении мощности лазера и частоты следования лазерных импульсов, а также при уменьшении расстояния между моделью и оптическим пульсирующим разрядом эффект снижения аэродинамической силы увеличивается. Установлено, что максимальное снижение (до 15 %) аэродинамической силы в результате воздействия теплового следа наблюдалось при максимальной мощности лазерного излучения W = 2,3 кВт и частоте импульсов f = 90 кГц. Совокупное воздействие струи аргона и ОПР вызывало снижение силы аэродинамического сопротивления до 30 %.

Рассматриваются локальные особенности теплофизических процессов в каналах и предсопловом объеме твердотопливных ракетных двигателей со скрепленными зарядами различных форм поперечного сечения. Исследуется влияние формы заряда на теплообмен в области соплового дна. Показано, что величина числа Нуссельта в критической точке на многосопловом днище определяется как формой каналов заряда, так и геометрией предсоплового объема. На основании обработки результатов численного эксперимента получены критериальные зависимости для определения числа Нуссельта в областях локального повышения интенсивности теплообмена. Полученные зависимости сопоставлены с известными эмпирическими формулами [1-4]. Выявлено, что использование эмпирических соотношений для оценки числа Нуссельта приводит к некорректному определению параметров теплообмена на бронированных поверхностях заряда, сопловых крышках и входной части утопленного поворотного сопла.

Исследован класс нелинейных задач нестационарного радиационно-конвективного теплообмена при вынужденном ламинарном обтекании плоской пластины потоком жидкости в условиях микроволнового воздействия с малой глубиной проникновения. Решения этих задач осуществлено с применением эффективных асимптотических процедур на последовательных стадиях нестационарного и стационарного радиационно-конвективного теплообмена на теплоизлучающей поверхности горизонтальной пластины. «Сшивка» нестационарной и установившейся частей решений выполнена на характеристике «продольная координата-время». Построенные на этих принципах решения надежно согласуются с точными решениями при предельных значениях таких параметров, как малая и большая интенсивность внешнего теплового воздействия, малые и большие времена и др. Погрешность решений не выходит за пределы 1-7 %. По мере удаления от передней кромки пластины за счет теплоизлучения происходит вырождение конвективного теплообмена от значений, характерных для граничного условия второго рода, до величин, свойственных граничному условию первого рода. Отмечено сильное влияние на характер изменения поверхностной температуры и числа Нуссельта комплексного параметра СВЧ и теплового излучений. Важным достоинством развиваемого метода решения данного класса внешних задач является то, что еще до проведения сложных расчетов удается провести исчерпывающий анализ фундаментальных закономерностей изучаемых процессов. При этом, несмотря на ряд вводимых исходных упрощений, последние существенно не сказываются на точности конечных результатов, гарантируя надежную количественную информацию. Разработанный метод может быть расширен также на режимы вынужденной конвекции с линейной зависимостью физических свойств от температуры при помощи преобразования А.А. Дородницина. Для подтверждения адекватности построенной математической модели проведено экспериментальное исследование стационарного радиационно-конвективного теплообмена при вынужденном обтекании плоской пластины. Результаты сравнения теоретических и опытных данных показывают их достаточное соответствие. Это еще раз подтверждает эффективность разработанного метода построения теоретических решений нелинейных задач вынужденной конвекции с использованием асимптотических процедур.

Представлено аналитическое исследование устойчивого полностью развитого МГД-течения Куэтта электропроводящей жидкости в присутствии радиального магнитного поля. Точные решения, полученные для уравнений, соответствующих законам сохранения энергии, импульса и массы с учетом влияния вязкой и джоулевой диссипации, изображены графически. Рассмотрено влияние различных определяющих параметров, таких как числа Гартмана и Бринкмана, на профиль температуры и, следовательно, на число Нуссельта. В результате проведенного исследования установлено, что увеличение числа Гартмана приводит к увеличению числа Нуссельта на внешней поверхности внутреннего цилиндра, в то время как влияние числа Гартмана на число Нуссельта на внутренней поверхности наружного цилиндра прямо противоположно. Кроме того, установлено, что число Бринкмана имеет незначительное влияние на числа Нуссельта, в случае, когда обе поверхности имеют одинаковую температуру.

Выполнен цикл испытаний установки при использовании в эжекторе водяного пара вместо сжатого воздуха. В результате экспериментов получены данные газового анализа - объемные концентрации O₂, CO, CO₂, C_n H_m, NO_x, H₂ при различном соотношении потоков воздуха и пара. Эти данные сопоставляются с результатами расчета термодинамически равновесных составов реагирующей смеси С+Н₂О+воздух, в том числе при избытке воздуха ( α ≤ 1), по программе «Terra», а также с данными ряда работ по составам газов для различных случаев газификации при высоком содержании балласта. Показано, что в испытанной схеме пар служил в основном инертным разбавителем, что не исключало возможности получения газов с относительным содержанием Н₂ /СО и СО/СО₂, соответствующих различным случаям газификации.

Современные теплоэнергетические установки являются сложными технологическими системами, и принятие обоснованных решений при их исследованиях возможно лишь с использованием методов математического моделирования и нелинейной оптимизации параметров. При этом наиболее сложной задачей является смешанная задача оптимизации, в которой часть оптимизируемых параметров изменяется непрерывно, а часть может принимать лишь дискретные, в частности, только целые значения. Авторами разработан эффективный метод решения задач оптимизации теплоэнергетических установок с непрерывно и дискретно изменяющимися оптимизируемыми параметрами. Метод основан на итерационном решении непрерывных задач нелинейного программирования и дискретно-непрерывных задач линейного программирования. На каждой итерации в систему ограничений-неравенств линейной задачи добавляются новые ограничения, полученные в результате линеаризации нелинейных ограничений-неравенств и целевой функции исходной задачи. Эффективность предлагаемого метода иллюстрируется на примере оптимизации парогазовой установки со смешением рабочих тел (схема STIG). В качестве дискретных оптимизируемых параметров выступают конструктивные характеристики поверхностей нагрева котла-утилизатора. Показано существенное снижение вычислительных затрат по сравнению с методом ветвей и границ.

Экспериментально исследована структура струи, образованной продуктами горения пламени пропановоздушной смеси в форме конуса и натекающей на ориентированную перпендикулярно плоскую охлаждаемую преграду. Измерения поля скорости выполнены методом анемометрии по изображениям частиц. На основе бесконтактных измерений впервые установлен факт образования возвратного течения в потоке между конусом пламени и преградой, предложено объяснение механизма его возникновения. Формирование слабоинтенсивного рециркуляционного пузыря на оси струи, являющегося застойной зоной, может служить объяснением эффекта снижения интенсивности теплообмена в окрестности лобовой точки, который наблюдался в предыдущих работах.