Главная – Журналы – Теплофизика и аэромеханика 2019 номер 6

Экспериментальный анализ пульсаций воздушного потока обычно проводится с помощью термоанемометрии с проволочными (ниточными) датчиками. Однако в окрестности осциллирующих ударных волн этот тип датчика может быть разрушен из-за сильных механических нагрузок. На основе выполненного моделирования показано, что клиновидный пленочный датчик может быть пригодным для количественного анализа пульсаций в осциллирующей ударной волне. В рамках этого исследования диаграммный метод Коважного и Морковина был адаптирован к использованию клиновидных пленочных датчиков. Кроме того, получены трехмерные диаграммы пульсаций как для отдельных, так и для смешанных мод пульсаций. Пульсации в свободном потоке регистрировались при прохождении ударной волны пленочным датчиком клиновидной формы в режиме постоянной температуры. Ударная волна порождалась в угле сжатия величиной 10° при числе Маха набегающего потока M = 2,5 и единичном числе Рейнольдса Re₁ = 4,96×10⁶ м^-1. Измеренные возмущения разделялись по диаграммному методу. Обнаружено усиление пульсаций на ударной волне и последующее их затухание. Этот результат хорошо согласуется с имеющимися литературными данными.

Проведены экспериментальные исследования воздействия слабых ударных волн на течение в пограничном слое затупленной плоской пластины, установленной вдоль потока, для разных углов скольжения передней кромки при числе Маха 2. Ударные волны в набегающем потоке в виде N-волны генерировались двумерной неровностью размерами 150´7´0,13 мм на боковой стенке аэродинамической трубы Т-325. Подтверждено, что при падении N-волны на переднюю кромку пластины с нулевым углом скольжения в пограничном слое наблюдается порождение продольных вихрей, сопровождающееся повышением уровня пульсаций и изменением спектрального состава возмущений. Термоанемометрические данные показали, что при изменении угла скольжения передней кромки от 0 до 25 градусов под воздействием падающей «догоняющей» слабой ударной волны происходит уширение вихря в сверхзвуковом пограничном слое.

Проведено экспериментальное исследование влияния двух близко расположенных одиночных элементов шероховатости цилиндрической формы на ламинарно-турбулентный переход. Эксперименты выполнены на конической модели с радиусом затупления 9 мм при числе Маха М = 5. Парные элементы шероховатости с различными наборами высот и углов разнесения размещались на затупленном носике модели. На основе термоанемометрических измерений получена информация о средних и нестационарных параметрах пограничного слоя в следе за шероховатостями. Для всех типов шероховатости подтверждено существование эффективной высоты шероховатости, при превышении которой происходит деформация границы пограничного слоя и увеличение неравновесности течения в следе. Проведено сравнение процессов турбулизации течения в следе за одиночной и парной шероховатостями. Как и для одиночной шероховатости, процесс турбулизации течения за парной шероховатостью сопровождается формированием продольных вихрей, что приводит к деформации профиля скорости. В зависимости от величины деформации происходит либо затухание, либо возрастание пульсаций в следе. В отличие от одиночной шероховатости, парная шероховатость уменьшает массовый расход в более узком диапазоне углов, причем наполнение пограничного слоя в этом диапазоне более существенно. Если для одиночной шероховатости турбулизация происходит непосредственно за шероховатостью, то для парной шероховатости основной рост массового расхода происходит в следе, распространяющемся от границы двух шероховатостей. Наличие шероховатости оказывает значительное влияние на нестационарные характеристики пограничного слоя при высоте элемента шероховатости меньше эффективной. В следе за парной шероховатостью происходит взаимодействие вихрей, что приводит к уменьшению эффективного числа Рейнольдса по сравнению со случаем одиночной шероховатости.

В статье представлены результаты прямого численного моделирования турбулентного вихревого кольца с умеренным числом Рейнольдса, взаимодействующего с полем внешних турбулентных пульсаций. Кольцо формируется за счет сил плавучести из области повышенной температуры, имеющей изначально сферическую форму. Было рассмотрено взаимодействие кольца с полем турбулентных пульсаций (температуры и скорости), расположенных в виде горизонтального слоя перед кольцом. Обнаружен эффект разделения вихрей в слое пульсаций по знакам завихренности (по отношению к вращению кольца) при прохождении кольца сквозь данное поле. Этот эффект приводит сначала к замедлению движения кольца, когда пульсации проходят снаружи от него, а затем к его ускорению с уменьшением радиуса, когда пульсации попадают в центр кольца. За счет сил плавучести в слое пульсаций происходит разделение горячего и холодного воздуха. При взаимодействии с кольцом это приводит к тому, что пониженная температура накапливается в ядре кольца, а повышенная ¾ вблизи его оси. Такое распределение температуры приводит к бароклинной генерации завихренности, направленной на уменьшение радиуса кольца.

Исследовано неустойчивое ламинарное течение над волнистым участком поверхности продольно обтекаемой пластины. Результаты получены термоанемометрическим методом в малотурбулентной аэродинамической трубе при низких дозвуковых скоростях воздушного потока. Рассмотрено обтекание стенки с поперечной волнистостью, амплитуда которой достаточно велика и может способствовать возникновению локальных областей отрыва пограничного слоя. Внешнее гармоническое (акустическое) воздействие на периодическое течение приводит к подавлению возмущений, доминирующих в спектре пульсаций скорости вблизи поверхности экспериментальной модели. Результаты работы могут быть полезны при разработке методов управления пространственно неоднородными течениями.

Представлены результаты экспериментальных исследований межкассетного взаимодействия потоков теплоносителя в активной зоне реактора ВВЭР, состоящей из тепловыделяющих сборок ТВСА-Т.mod.2 и ТВСА-Т. Моделирование процессов течения потока теплоносителя в тепловыделяющих сборках проводилось на аэродинамическом стенде. Исследования осуществлялись на модели фрагмента активной зоны реактора ВВЭР и заключались в измерении модуля вектора скорости в характерных зонах как ТВСА, так и межкассетного пространства активной зоны реактора ВВЭР. Измерения проводились пятиканальным пневмометрическим зондом. Анализ пространственного распределения проекций абсолютной скорости потока позволил детализировать картину обтекания потоком теплоносителя дистанционирующих, перемешивающих и комбинированных дистанционирующих решеток ТВСА. Результаты исследования межкассетного взаимодействия теплоносителя между соседними тепловыделяющими сборками ТВСА-Т и ТВСА-Т.mod.2 приняты для практического использования в АО «ОКБМ Африкантов» при оценке теплотехнической надежности активных зон реакторов ВВЭР и включены в базу данных для верификации программ вычислительной гидродинамики (CFD-кодов) и детального поячеечного расчета активной зоны реакторов ВВЭР.

Рассматриваются нелинейные волны на поверхности горизонтального слоя жидкости, находящегося в известном поле напряжений на границе раздела. Исследуется природа ветвления волновых режимов от невозмущенного течения. Для этого находятся решения модельного нелинейного уравнения на отклонение толщины слоя от невозмущенного уровня. Аналитически построены слабо нелинейные стационарно-бегущие решения этого уравнения, у которых волновые числа лежат в окрестности нейтральных волновых чисел. Численно найдены стационарно-бегущие периодические решения первого семейства, волновые числа которых лежат вне этой окрестности.

Статья посвящена теоретическому анализу вязких пленок жидкости, стекающих вдоль единичного элемента структурированной упаковки с крупными ребрами и микротекстурой в виде волнистой двухмерной поверхности или трехмерной поверхности «холмистого» типа. Рассмотрено влияние сил инерции, поверхностного натяжения, геометрии крупного гофрирования и мелкой текстуры на осредненные характеристики пленочного течения. Получены новые уравнения для расчета трехмерного пленочного течения вдоль пластины с двойной структурой гофрирования. В расчетах основное внимание уделено влиянию, которое оказывают микротекстуры различного типа на растекание пленки. Варьировались тип, амплитуда, угол наклона мелкой текстуры и число Рейнольдса жидкости. Обнаружено, что трехмерная микротекстура «холмистого» типа оказывает малое влияние на растекание жидкой пленки по единичному элементу структурированной насадки; осредненные расходы жидкости вдоль и поперек крупных ребер слабо зависят от амплитуды и угла наклона мелкой текстуры этого типа. Выявлено, что только средняя толщина пленки чувствительна к изменению амплитуды микроповерхности «холмистого» типа. Это сильно отличается от влияния, которое оказывает волнистая двухмерная микротекстура на растекание пленки вдоль и поперек крупных ребер. В этом случае воздействие волнистости на гидродинамику растекания существенно зависит от амплитуды и угла наклона мелкой текстуры.

Рассматриваются особенности коллапса парового пузырька в горячем тетрадекане (с температурой 663 K) в зависимости от давления жидкости в диапазоне от 13 до 100 бар. В начале коллапса пар в пузырьке находится в состоянии насыщения с давлением 10,3 бар, начальный радиус пузырька принят равным 500 мкм. Показано, что при давлении жидкости менее 13 бар сильное сжатие пара в пузырьке реализуется близким к однородному, а при более высоких значениях давления сжатие реализуется посредством образующихся в пузырьке радиально схождящихся изэнтропических (при 14-18 бар) и ударных (начиная с 19 бар) волн. Проведено сопоставление степеней сжатия пара, оцениваемых по его давлению, плотности и температуре на границе малой центральной области пузырька радиусом 0,25 мкм, с теми степенями сжатия пара, что реализуются при коллапсе аналогичного парового пузырька в холодном ацетоне при температуре 273 K, соответсвующей известным экспериментам по акустической кавитации дейтерированного ацетона. Установлено, что степени сжатия, сравнимые с достигаемыми в случае ацетона при давлении 15 бар, равном амплитуде акустического воздействия в указанных экспериметах, достигаются в случае тетрадекана при давлении 70 бар. При этом максимальная скорость коллапса пузырька в тетрадекане оказывается в 10 раз меньше, чем в ацетоне (110 м/с против 1100 м/с).

Численно исследовано акустическое течение в вибрирующей цилиндрической полости, заполненной воздухом. Рассмотрены случаи адиабатических и изотермических граничных условий, а также случай, когда на торцах полости заданы адиабатические граничные условия, а на боковой поверхности ¾ изотермические граничные условия. Установлено значение радиуса полости, при котором осевая составляющая скорости акустического течения максимальна. Описано влияние радиуса полости и граничных условий на её торцах на свободные колебания в начальной стадии процесса, среднюю за период температуру и картину акустического течения.

На основе созданной математической модели исследуется гидродинамика ротационного биологического реактора для выращивания костной ткани по технологии in vitro . Цель работы ¾ определение оптимального режима вращения биологического реактора, обеспечивающего циклическое силовое воздействие жидкости на заселенный клетками биоматериал. За основу для создания математической модели биологического реактора выбран используемый в исследовательской практике ротационный биологический реактор, течение жидкости в котором генерируется за счет вязкости при вращении поверхности. Для математического описания течения в полости реактора привлекалась система уравнений Навье-Стокса. Режим течения в пограничном слое постулировался ламинарным. В вычислительном алгоритме используется газодинамический решатель «Fluent» пакета прикладных программ ANSYS-12. Рассмотрено четыре варианта генерации вращательного движения жидкости в полости реактора. Выполнена серия параметрических расчетов по частоте вращения f в диапазоне 0,05 £ f £ 0,25 Гц. Приведена визуализация полей скорости в меридиональной плоскости. В рабочей зоне реактора представлены и проанализированы локальные распределения на поверхности касательного напряжения и давления. Расчеты показали, что способ генерации движения жидкости путем вращения внешнего цилиндра со смещенной осью вращения лучше всего подходит для создания циклической по давлению и касательному напряжению нагрузки на биологический материал.

Получены выражения, описывающие особенности формирования температурного поля в фотоакустической камере с учетом температурной зависимости не только теплофизических параметров всех слоев и поглощательной способности, но и оптического коэффициента поглощения образца. Выведена система нелинейных алгебраических уравнений для определения зависимости температур освещаемого слоя образца и его обратной стороны от интенсивности падающего луча. В результате численного решения этой системы получены нелинейные зависимости температур обоих сторон образца от интенсивности луча. Обнаружено, что знак термического коэффициента температурной зависимости оптического коэффициента поглощения существенно влияет на характер зависимостей приращения температур облучаемой поверхности и тыловой стороны образца от интенсивности. Также показана существенная роль подложки на формирование поля температур в фотоакустической камере.

Экспериментально исследован тепловой аккумулятор, использующий скрытую теплоту фазового перехода «твердое тело-жидкость». Для интенсификации теплообмена в его конструкции использованы гипертеплопроводящие пластины. В ходе экспериментов измерялись значения температуры и изменялся объем рабочего вещества (гексадекана). Проведен анализ теплового баланса и фазовых превращений в объеме теплового аккумулятора. Подтверждена работоспособность рассматриваемой конструкции теплового акуумулятора и высокая теплораспределяющая способность гипертеплопроводящих пластин.

В статье приведены результаты численных исследований влияния термохимической активации пылеугольных потоков на процессы тепломассопереноса, происходящие в областях реальной геометрии (камеры сгорания) при сжигании в них энергетического топлива. Получены аэродинамическая картина течения, скоростные, температурные и концентрационные поля, анализ которых позволяет сделать вывод о том, что плазменная активация топлива повышает эффективность его сжигания и снижает выбросы вредных веществ в атмосферу.

В работе описана схема экспериментальной установки для плазменной газификации органических отходов с дискретной подачей их в узел загрузки. Приведены экспериментальные результаты определения процентного состава синтез-газа и его калорийности в зависимости от времени для газификации древесных опилок и полиэтиленовых гранул. Проведен расчет зависимости количества метана в составе синтез-газа от температуры и расхода кислорода. Показано, что при подаче отходов отдельными порциями значительно изменяется во времени состав, выход синтез-газа и его калорийность.