Главная – Журналы – Прикладная механика и техническая физика 2019 номер 3

Описаны различные типы современных взрывомагнитных генераторов, принципы их работы, конструкции, основные характеристики. Рассмотрены области применения генераторов в физике высоких плотностей энергии. Изучены перспективы дальнейшего развития взрывомагнитных генераторов.

Выполнен теоретический анализ энергетических возможностей различных схем, в том числе различных вариантов схемы прямоточного ускорителя (ramjet-in-tube) газодинамического разгона массивных (от 1 до 40 кг) метаемых тел в наземных условиях до скоростей 2-3 км/с. Для расчетов используются простые квазиодномерные расчетные модели для совершенного газа. Показано, что использование схемы прямоточного ускорителя с закрытым выходом позволяет увеличить скорости разгона массивных тел до 3 км/с, что в два раза больше, чем при использовании существующих пороховых способов.

Исследуются предельные возможности и энергетическая эффективность процесса одноступенчатого разгона тел сжатым газом в трубе (баллистическая задача Лагранжа). Получено точное частное решение баллистической задачи Лагранжа в приближении однородной деформации. Проведено сравнение результатов расчета по различным методикам с экспериментальными данными и известными результатами расчетов. Показано, что использование коэффициента полезного действия в качестве критерия выбора оптимального решения не позволяет определить эффективные конфигурации баллистических установок.

Рассмотрена задача о влиянии скачкообразного изменения внешнего магнитного поля на течение электропроводящей бингамовской жидкости в двумерном канале. Показана возможность использования при исследовании магнитогидродинамических течений бингамовских сред метода раздельного описания течений в пластической и вязкой областях. Получено точное уравнение, описывающее зависимость положения границы области пластического течения от времени и от индукции магнитного поля. Показано, что соответствующая задача Коши имеет единственное асимптотически устойчивое решение. Для некоторых значений параметров представлены результаты численного интегрирования, подтверждающие качественные выводы.

Представлены результаты прямого численного моделирования индуцированного шероховатостью развития неустойчивости и перехода к турбулентности в сверхзвуковом пограничном слое на затупленном конусе при значении числа Маха набегающего потока $\M_{\infty}=5{,}9$5. Параметры течения и геометрия модели соответствуют условиям проведенных экспериментов. Рассмотрены следующие типы шероховатостей: случайная распределенная шероховатость, одиночные элементы шероховатости различной формы и группа регулярно расположенных элементов. Проведено сравнение процессов развития неустойчивости и перехода при наличии различных видов шероховатости, обсуждаются возможные механизмы воздействия шероховатости на устойчивость пограничных слоев на затупленных телах.

Разработана математическая модель процесса редуцирования давления природного газа в регуляторе давления прямого действия. Показано, что при типичном для практики отношении давлений на выходе и входе, меньшем критического значения, процесс редуцирования давления состоит из двух этапов: частичного расширения газа при дросселировании в сужающем устройстве регулятора давления и последующего расширения в его корпусе. Численно определены значения температуры газа в характерных сечениях регулятора давления. Установлено, что температура уменьшается на первом этапе редуцирования давления, а при расширении и торможении потока в корпусе регулятора давления температура газа увеличивается. Предложен метод уменьшения возможности образования газовых гидратов в регуляторе давления.

Представлены результаты анализа натурных измерений волнового бора на пикноклине мелкого моря, выполненных с помощью вертикально расположенных термисторов. Для гидродинамической интерпретации пространственно-временной структуры бора используется математическая модель слабодисперсного мелкого моря, в которой учитывается влияние кубической нелинейности и низкочастотной дисперсии. Определены предельная амплитуда и минимальная длительность солитонных решений модели. Предложен алгоритм оценки указанных параметров на основе данных измерений пульсаций изотерм, индуцированных бором. Выполнены оценки предельной амплитуды и минимальной длительности уединенных волн на пикноклине в прибрежной зоне Японского моря.

Методом Винера - Хопфа решена задача о волнах в жидкости и ледяном покрове, возникающих под действием области давления, движущейся по свободной поверхности жидкости вдоль кромки полубесконечного ледяного покрова. Нагрузкой, приложенной в некоторой области, моделируется судно на воздушной подушке, ледяной покров моделируется тонкой упругой пластиной постоянной толщины на поверхности идеальной несжимаемой жидкости конечной глубины. В движущейся системе координат прогиб пластины и возвышение жидкости полагаются установившимися. Исследованы волновые силы, возвышение свободной поверхности жидкости, прогиб и деформации пластины при различных скоростях движения нагрузки. Обнаружено, что при околокритических скоростях движения нагрузки ледяной покров оказывает существенное влияние на волновые силы (волновое сопротивление и боковую силу), действующие на движущееся по свободной поверхности тело, причем это влияние является наиболее сильным при малых расстояниях от кромки. Показано, что при некоторых значениях скорости движения, толщины льда и давления нагрузки возможно разрушение ледяного покрова вблизи кромки.

Рассмотрено распространение слабых возмущений в перегретой водовоздушной пузырьковой среде, когда в пузырьках помимо водяного пара присутствует инертный газ (например, воздух), не участвующий в фазовых переходах. Построены карты зон устойчивости рассматриваемых систем в зависимости от степени перегрева жидкости. Проанализировано влияние начальной степени перегрева на эволюцию гармонических волн. Для неустойчивых систем изучена зависимость инкремента от радиуса пузырьков при увеличении степени перегрева воды.

Проведено исследование течения вязкой жидкости вдоль непрерывно сжимающейся поверхности. Установлено, что в отличие от задачи о течении вдоль непрерывно растягивающейся поверхности задача о течении вдоль непрерывно сжимающейся поверхности при отсутствии всасывания поверхностью не имеет физически значимых решений, а при достаточно большой скорости всасывания имеет более одного решения. Показано, что течение вдоль сжимающихся поверхностей сопровождается нелинейными эффектами и имеет особые характеристики пограничного слоя. С использованием корректного определения автомодельных двумерных течений вдоль сжимающейся поверхности доказано, что эти особенности течений вдоль сжимающихся поверхностей характерны также для течений вдоль растягивающихся поверхностей. Это означает, что утверждение об исключительной значимости течений вдоль сжимающихся поверхностей неверно.

Рассматривается плоскопараллельное стационарное движение вязкой несжимаемой жидкости, частично заполняющей цилиндрическую вращающуюся полость. Область, занимаемая жидкостью, является односвязной, причем имеются две точки скользящего трехфазного контакта, в которых задаются краевые углы подхода жидкости к стенкам. Свободная граница жидкости является криволинейной. На границе между жидкостью и твердой стенкой ставится условие проскальзывания, означающее пропорциональность касательных напряжений разности скоростей движения стенки и частиц жидкости. Область течения конформно отображается на прямоугольник. Проводятся расчеты вихря и функции тока при заданном коэффициенте проскальзывания и различных скоростях вращения цилиндра.

В вычислительном эксперименте исследовано влияние изменения проходного сечения магистрального газопровода при образовании гидратов на коэффициент гидравлического сопротивления и динамику температуры и давления с учетом квазистационарного теплообмена с многолетнемерзлым грунтом. Рассмотрен случай, когда в газопровод подается влажный газ, и наряду с другими параметрами определяется динамика гидратообразования. Расчеты проводятся до тех пор, пока давление на выходе не становится ниже нормативного. В результате проведенного эксперимента установлено, что расчеты по модели, в которой коэффициент гидравлического сопротивления считается постоянным, приводят к существенному занижению значения допустимого времени работы газопровода. Следовательно, при математическом моделировании образования гидратов в системах транспортировки природного газа необходимо учитывать взаимосвязь процессов теплообмена и гидродинамического взаимодействия газа со стенками трубопровода.

Рассматривается математическая модель процесса вертикального гидропрослушивания газового пласта, вскрытого несовершенной вертикальной скважиной. Исследуется влияние проницаемостей в вертикальном и горизонтальном направлениях и степени вскрытия пласта на характер изменения давления на активном и реагирующем участках скважины. Предлагается метод интерпретации результатов вертикального гидропрослушивания газового пласта, основанный на решении обратных задач. Показано, что результаты вертикального гидропрослушивания газовой скважины позволяют оценить проницаемости по вертикали и горизонтали, а также пористость пласта при его полном вскрытии.

В приближении Стокса при значениях числа Рейнольдса и Пекле, много меньших единицы, дано теоретическое описание стационарного движения умеренно крупной аэрозольной частицы сферической формы во внешнем поле градиента температуры. При этом полагается, что средняя температура поверхности частицы значительно отличается от температуры окружающей ее газообразной среды. Уравнения газовой динамики решаются с учетом степенной зависимости коэффициентов молекулярного переноса (вязкости, теплопроводности) и плотности газообразной среды от температуры. Граничные условия записаны в линейном приближении по числу Кнудсена. Показано, что термофоретическая сила и скорость существенно зависят от числа Кнудсена и средней температуры поверхности частицы.

Разработана и изготовлена одноступенчатая газовая установка, позволяющая ускорять тела массой 0,5 кг до скоростей порядка 1200 м/с. Проведены эксперименты по метанию стальных ударников в массивную ледяную мишень. Выполнено сравнение экспериментальных данных с результатами расчетов, полученными с использованием комплекса программ Reactor, а также результатов численного расчета процесса разрушения ледяной преграды конечной толщины при ударе одиночного ударника и нескольких ударников. Показано, что удар стальным кольцом по ледяной преграде конечной толщины приводит к выбиванию максимального объема льда и к практически полной потере кинетической энергии кольца.

На основе структурно-временного подхода проводится анализ экспериментальных зависимостей прочности мерзлого песчаного грунта от скорости деформации. Представлены результаты динамических испытаний на одноосное сжатие при температуре $-18$ \gr в диапазоне скоростей деформации от 400 до 2600 с$^{-1}$ образцов мерзлого песчаного грунта двух типов с измеренной при комнатной температуре массовой долей льда 10 и 18 %. С использованием известных экспериментальных данных проведены исследования зависимости прочности от скорости деформации при различных температурах замораживания мерзлого песка с массовой долей льда 30 %.

С использованием критерия инкубационного времени проведен анализ известных результатов лабораторных исследований динамической прочности горных пород как в случае сжатия, так и в случае растяжения. На основе данного подхода построена теоретическая кривая, описывающая увеличение предельного напряжения, при котором разрушается образец, для некоторых видов песчаника. Получена оценка величины инкубационного времени для каждого исследованного материала.

Предложена уточненная постановка линеаризованных задач о внутренних разномасштабных плоских формах потери устойчивости жесткого монослоя, состоящего из волокон или пучка волокон, с учетом их взаимодействия с окружающей матрицей. Волокна являются структурными элементами волокнистых композитов и находятся в докритическом (невозмущенном) состоянии под действием напряжений сдвига и растяжения (сжатия) в поперечном направлении. Для постановки задач используются уравнения, построенные путем редукции непротиворечивого варианта геометрически нелинейных уравнений теории упругости к одномерным уравнениям теории прямых стержней. Эти уравнения основаны на использовании для жесткого монослоя уточненной сдвиговой модели Тимошенко с учетом деформаций растяжения-сжатия в поперечном направлении, а для слоев связующего - модели трансверсально-мягкого слоя с неподвижными граничными плоскостями в возмущенном состоянии. Показано, что в процессе нагружения образцов возможно непрерывное изменение структуры композита вследствие реализации и смены исследуемых внутренних форм потери устойчивости при изменении параметра волнообразования. Это, в частности, позволяет объяснить уменьшение эффективного модуля сдвига волокнистого композита при увеличении сдвиговых деформаций.

Рассматриваются условия, при которых может произойти разрыв угольного или породного пласта газом, заключенным в полости магистральной трещины, находящейся на краевом участке пласта. Строится кинетическая теория двух конкурирующих физических процессов: разгрузки пласта в результате действия горного давления и фильтрации газа из полости трещины в окружающий массив. Первый процесс способствует разрыву, второй - уменьшению давления газа, вызывающего разрыв. Эволюция трещины определяется соотношением скоростей этих процессов. Установлено, что для разрыва пласта необходимо, но недостаточно выполнения модифицированного критерия Гриффитса. Для разрыва пласта необходимо также, чтобы отношение скорости разгрузки к скорости фильтрации превышало определенное пороговое значение.

С использованием нелокальной градиентной теории упругости и модели изгибной жесткости трещины предложена модель балки Тимошенко с трещиной, в которой учитываются размеры балки. Получены выражения для изгибающего момента и перерезывающей силы высших порядков, а также аналитическое решение задачи об изгибе свободно опертой балки с произвольным числом трещин, находящейся под действием равномерной поперечной нагрузки. Исследовано влияние нелокального параметра, характерного линейного размера материала, наличия трещины и гибкости балки на поведение балки при ее изгибе. Установлено, что характерный линейный масштаб материала существенно влияет на поведение балки с трещиной при изгибе, в то время как влияние нелокального параметра градиентной теории менее существенно. Показано, что упрочнение и разупрочнение микробалки с трещиной зависят от обоих масштабных параметров, и в том случае, когда эти параметры равны, поведение микробалки при изгибе отличается от поведения классической балки Тимошенко с трещиной. Установлено, что влияние масштабного эффекта на упрочнение и разупрочнение балки увеличивается с уменьшением гибкости балки.

С использованием модели дискообразных трещин по двум амплитудно-частотным спектрам акустической эмиссии, зарегистрированным в процессе разрушения образца бетона, восстановлена их функция распределения по размерам, а также соответствующие распределения пористости и удельной площади внутренней поверхности материала. Исследовано изменение этих характеристик твердого тела в интервале времени между моментами регистрации спектров.

Изготовлен и испытан прототип импульсного рентгеновского аппарата с рабочим напряжением $600\div 800$ кВ на основе комбинированного спирального генератора. За счет добавления одношинной линии, отсутствующей в классическом спиральном генераторе, увеличена общая длина спиральной обмотки, что позволяет согласовать время прохождения волны по линии спирального генератора с периодом колебаний в генераторе с трансформатором Тесла. Показано, что предлагаемый трансформатор имеет высокий коэффициент полезного действия. Предложена теоретическая модель, описывающая работу комбинированного генератора.