Главная – Журналы – Теплофизика и аэромеханика 2019 номер 5

Работа посвящена определению положения ламинарно-турбулентного перехода в дозвуковых и трансзвуковых двумерных пограничных слоях с помощью разработанного авторами оригинального программного комплекса LOTRAN 2.0, основанного на e ^N -методе и использующего данные численного моделирования ламинарного обтекания, выполненного стандартными газодинамическими пакетами, основанными на осредненных по Рейнольдсу уравнениях Навье-Стокса. В качестве примера рассмотрено обтекание плоской пластины. Продемонстрирована согласованность расчетных и экспериментальных данных по положению ламинарно-турбулентного перехода. Получены новые данные по положению ламинарно-турбулентного перехода в пограничном слое плоской пластины для трансзвуковых режимов течения.

В работе представлены результаты исследования, проведенного в рамках отработки методики расчета течения и определения коэффициента расхода в узких цилиндрических каналах слива в условиях натекания толстого пограничного слоя. Для задания граничных условий на входной границе расчетной области использовались профили давления и температуры, полученные на выходной границе области моделирования обтекания носовой части гиперзвукового воздухозаборника. Численное моделирование пространственного обтекания носовой части гиперзвукового воздухозаборника проведено в диапазоне чисел Маха от 3 до 6 при угле атаки 6°. Результаты распределений статического давления, рассчитанных вдоль плоскости симметрии и в поперечном направлении, сопоставлены с экспериментальными данными. Показано их удовлетворительное согласование. Моделирование течения проведено в рамках стационарных уравнений Навье-Стокса, осредненных по Рейнольдсу, c использованием модели турбулентности k-w SST. Полученные распределения газодинамических параметров и линий тока позволили провести анализ особенностей структуры потока на носовой части модели воздухозаборника и в канале слива пограничного слоя. Расчеты показали, что для исследованного диапазона чисел Маха может быть реализовано звуковое течение в каналах слива пограничного слоя, что позволит обеспечить максимальный расход через них.

На основе решения осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса, замкнутых с помощью модифицированной с учетом кривизны линий тока модели переноса сдвиговых напряжений, обнаружено ускорение турбулентного потока в канале с однорядными наклоненными овально-траншейными лунками, ранее установленное на ламинарном режиме. Показано, что скорость в ядре потока увеличивается до 1,4 раза при уплотнении лунок. Оценено влияние плотности лунок на аномальную интенсификацию отрывного течения на стабилизированном участке канала. Установлено, что абсолютная величина трения в зоне возвратного течения в лунке возрастает до 5,5 раз по сравнению с трением на стенке гладкого канала.

Экспериментально и теоретически исследуется структура течения в высокоскоростной струе газа, истекающей из форсунки перспективного жидкотопливного горелочного устройства распылительного типа. На основе метода PIV измерено распределение скорости в однофазном газовом потоке при различных режимных параметрах. В приближении одномерного изэнтропического течения получены оценки газодинамических параметров для характерных режимов работы горелочного устройства с подачей перегретого водяного пара, а также с подачей воздуха. С применением CFD-пакета ANSYS Fluent проведено двумерное численное моделирование аэродинамической структуры потока воздуха при истечении из форсунки. Результаты сопоставлены с измеренным полем скорости и с характерной для сверхзвуковой недорасширенной струи картиной течения, визуализированной прямым теневым методом вблизи среза форсунки.

Дано термодинамическое описание эффекта Ранка. Включение в энергетический обмен работ расширения и сжатия позволяет дать рациональное объяснение наблюдаемому эффекту. Эти работы осуществляются малыми порциями газа в политропических процессах. Вращательное движение газа и наличие необратимостей в процессах расширения и сжатия в совокупности обуславливают энергетическое разделение. Математическая модель построена с использованием законов сохранения и политропического процесса расширения. Выполнены оптимизационные расчеты для различных значений политропического коэффициента полезного действия и числа Маха истечения горячего газа. Предложена практическая методика оптимизации рабочего процесса. В процессе оптимизации определяется также коэффициент полезного действия работы расширения.

Представлены результаты экспериментального исследования интенсивности энерговыделения в генераторе Куэтта-Тэйлора с независимо вращающимися цилиндрами применительно к решению проблемы прямой конверсии энергии ветра в теплоту. Система образована двумя вложенными друг в друга мультицилиндровыми роторами. Преимущественно изучались режимы встречного вращения роторов. Исследовались момент сопротивления вращению роторов и выделяемая теплогенератором мощность в зависимости от относительной угловой скорости вращения роторов теплогенератора при фиксированной вязкости рабочей жидкости и в зависимости от вязкости рабочей жидкости при неизменной относительной угловой скорости вращения роторов теплогенератора. Представление мультицилиндровой конструкции теплогенератора в виде одиночного эквивалентного кольцевого канала между двумя вращающимися цилиндрами позволило обобщить полученные экспериментальные данные по коэффициентам момента сопротивления вращению и удельной выделяемой тепловой мощности от числа Рейнольдса. Такое обобщение дает основание для разработки инженерных методик расчета тепловых характеристик различных конструкций мультицилиндровых систем нагрева жидкостей.

Изучается вопрос о влиянии выбора модели термохимической неравновесности на рассчитываемое распределение макропараметров течения за сильной ударной волной. Обсуждается влияние среднегеометрической температуры (модель Парка) и электронной энергии наряду с двумя моделями колебательно-диссоциативного взаимодействия, включающими модели Парка и Кузнецова, которые также изучаются и используются для сравнения. Для описания неравновесных химических реакций в воздушном потоке была применена модель химической кинетики Парка с 11 компонентами и 49 элементарными реакциями. Модель обмена энергией между поступательными и колебательными модами описывалась формулой Ландау-Теллера, где время релаксации компонентов было представлено формулой Милликена-Уайта, включающей высокотемпературную поправку Парка. Уравнения теоретической модели, включающей уравнения Эйлера, дополненные уравнениями сохранения колебательной энергии молекулярных компонентов, а также уравнения химической кинетики с использованием двухтемпературной модели (учитывающей поступательно-вращательную и колебательно-электрон-электронную температуры) дискретизировались посредством конечно-разностной схемы. Получено хорошее согласование структур зоны релаксации при сравнении результатов настоящей работы и данных Панеси для двух точек траектории (1634 и 1643 сек) для возвращаемой капсулы FIRE II.

Представлены результаты моделирования струи, истекающей из узкой щели при небольшом числе Рейнольдса Re. Проведено сравнение с данными лабораторных экспериментов и показано, что стационарные численные решения с ростом Re переходят в нестационарные с самовозбуждением синусоидальной неустойчивости. Исследовано влияние наложенных на входе поперечных колебаний на поведение струи.

Подтверждено соответствие экспериментально полученных результатов проверки теоретически рассчитанной зависимости размеров основных и сателлитных капель от безразмерного волнового числа возмущения поверхности струи ньютоновской жидкости. Показано, что увеличение вязкости жидкости существенно изменяет динамику развития капиллярных волн в струе и механизм образования сателлитных капель.

Впервые представлены результаты экспериментальных исследований по нанесению методом холодного газодинамического напыления алюминиевых дорожек на поверхность хрупкого эрозионно нестойкого материала (подобных кирпичу) с помощью звукового сопла. Измерены скорости частиц вблизи оси двухфазной струи и предложена аппроксимирующая формула, описывающая зависимость скорости частиц от давления и температуры торможения ускоряющего воздуха. Проведены исследования взаимодействия двухфазной струи с поверхностью подложки и показано, что с увеличением температуры торможения газа процесс эрозии подложки переходит в процесс образования покрытия. Найдены параметры, которые могут быть рекомендованы в качестве рабочих при практическом напылении.

Исследовано получение композиционного порошка титана, содержащего тугоплавкие наночастицы TiN, с использованием электродугового плазмотрона. С помощью электронного микроскопа Evo MA15 (Carl Zeiss) и дифрактометра ДРОН-4.0 изучены морфология поверхности и внутренняя структура частиц порошка, выполнен их рентгенофазовый анализ, построена карта распределения элементов как по поверхности, так и по объему полученной композиционной частицы. Показано, что наночастицы равномерно распределены по всему объему частиц титана и полностью им плакированы. Полученные таким способом наноструктурированные порошки, используемые в качестве наномодифицирующих добавок, повышают гомогенность распределения тугоплавких элементов при вводе их в расплав, защищают наночастицы от непосредственного взаимодействия с внешней средой, увеличивают их смачиваемость и сроки хранения, что положительно сказывается на эффективности наномодифицирования металлов и сплавов.

Приведены результаты теоретических исследований влияния процесса фильтрации смеси газообразных продуктов пиролиза и водяного пара на динамику зажигания частиц водоугольного топлива в условиях высокотемпературного нагрева. В рамках разработанной математической модели проведено прогностическое моделирование процессов воспламенения капель водоугольного топлива в условиях, соответствующих топочным пространствам (характеризующимся интенсивным радиационно-конвективным нагревом) типичных котельных агрегатов. Сравнительный анализ экспериментальных (установленных ранее) и теоретических значений времен задержек воспламенения ( t _ign ) показал их хорошее соответствие. По результатам математического моделирования установлено, что фильтрация водяных паров и летучих оказывает существенное влияние (до 40 %) на характеристики и условия воспламенения частицы водоугольного топлива. Показано, что увеличение скорости движения парогазовой смеси в пористой структуре топлива приводит к росту времени задержки его зажигания. Проанализировано влияние ограничений «упрощенной» модели фильтрационного теплопереноса на прогностические оценки характеристик воспламенения частиц водоугольного топлива. Показано, что применение относительно простых моделей фильтрационного теплообмена не приводит к значительным погрешностям расчета времен задержек воспламенения.

Проведено численное моделирование таяния слоя льда на вертикальной подложке, нагреваемого от источника излучения в виде галогеновой лампы в однофазной постановке задачи Стефана. Лед представлен в виде чистого, не рассеивающего, селективно поглощающего материала с двумя спектральными полосами объемного поглощения. В вычислительной модели учитывается селективный характер источника излучения. Анализ результатов расчетов показывает преобладающую роль падающего излучения на формирование поля плотности потока результирующего излучения в среде. Получено удовлетворительное согласование расчетов с экспериментальными данными.

Рассматриваются вопросы повышения термодинамической эффективности генерации произведенных энергоносителей, таких, например, как холод, водород, сжатый воздух. В основе предлагаемой технологии, получившей название «мультигенерация», лежит создание энергетических комплексов, состоящих из объектов генерации и потребителей. В задачу объектов генерации наряду с производством традиционных энергоносителей, таких как электроэнергия и тепло, входит также производство других произведенных энергоносителей и иных полезных продуктов, которые при раздельном производстве генерировались либо у потребителей, либо на специально для этой цели предназначенных предприятиях. Показаны преимущества реализации технологии мультигенерации как для отдельных объектов генерации и потребителей, так и для систем энергоснабжения в целом. В качестве критерия оценки термодинамической эффективности для отдельного объекта генерации принято изменение удельного расхода топлива на производство электроэнергии и тепла, а для системы энергоснабжения ¾ абсолютное и относительное изменения эксергетического КПД генерации всех произведенных энергоносителей. Приводятся полученные в ходе проводимого исследования формулы для сравнительных расчетов эффективности при совмещенной и раздельной генерации произведенных энергоносителей при принятых критериях оценки. Также приводятся принятые условия и результаты расчетов изменения эффективности генерации произведенных энергоносителей при переходе от раздельной к совмещенной генерации для энергетического комплекса в составе паротурбинной установки Т-100-130 в сочетании с парокомпрессионным и абсорбционным термотрансформаторами, работающими в режиме холодильной машины.

Представлены результаты численного моделирования инжекции воздуха в замкнутый объем с жидкостью (водой, жидким свинцом) при больших перепадах давления. Показано существенное различие процессов образования воздушного объема и эволюции его границы при инжекции в воду и жидкий свинец. Сопоставление периодических пульсаций давления в газовом объёме, полученных путем численного моделирования, с пульсациями давления, полученными для квазистационарной одномерной модели, показало существенную консервативность упрощенной модели. Проведено сравнение процесса разрушения газовых объёмов при периодических пульсациях в воде и жидком свинце. Показано, что при прочих одинаковых условиях газовый объём в воде разрушается быстрее, чем объём газа в свинце.

Дилатометрическим методом и методом просвечивания образцов узким пучком гамма-излучения измерены плотность и коэффициенты теплового расширения сплава Inconel 718 в интервале температур 293,15-1730 K твердого и жидкого состояний. Измерен скачок плотности при фазовом переходе твердое тело-жидкость. Проведено сравнение данных настоящей работы с результатами других авторов.