Главная – Журналы – Теплофизика и аэромеханика 2020 номер 1

Данный обзор посвящен анализу истории и современным тенденциям развития метода анемометрии по изображениям частиц для аэродинамического эксперимента. Авторами рассматриваются основы метода анемометрии, варианты его реализации, история и современное состояние аппаратных средств. Отдельное внимание уделено способам обработки данных и расчета производных величин на основе измеряемых полей скорости. Также кратко анализируются некоторые панорамные оптические методы, которые могут применяться совместно с анемометрией по изображениям частиц и реализуются с применением аналогичной аппаратной базы. Основной акцент в обзоре сделан на примеры работ, демонстрирующих возможности и современный уровень метода анемометрии по изображениям частиц в контексте аэродинамического эксперимента.

Работа посвящена экспериментальному исследованию высокоскоростной струи, истекающей из модельного двухконтурного сопла, с использованием бесконтактных (теневая визуализация) и зондовых (пневмоприемник полного давления) методов измерения газодинамических параметров. Выявлена азимутальная неравномерность распределения давления, величина которой во внешнем контуре существенно выше, чем во внутреннем. Причина возникновения пространственной структуры течения связана с поддерживающими пилонами внутри контуров сопла и формированием трансзвукового режима течения во внешнем канале.

Выполнен расчет устойчивости ламинарного пограничного слоя на поверхности гиперзвукового сопла для числа Маха M = 6 аэродинамической установки Транзит-М. Профили ламинарного пограничного слоя получены путем численного решения уравнений Навье-Стокса в программе Fluent пакета Ansys. В приближении линейной теории устойчивости получены N -факторы роста вихрей Гёртлера, возмущений первой и второй мод Мэка. Показано, что для рассматриваемого сопла наиболее неустойчивыми являются вихри Гёртлера. Определены эмпирические зависимости локального числа Рейнольдса ламинарно-турбулентного перехода от N -фактора и единичного числа Рейнольдса.

Работа посвящена исследованию турбулентного течения в канале, стенкам которого придают неровность поперечно расположенные семь ребер прямоугольного сечения. При наличии одинаковых ребер в потоке после первого ребра генерируется крупный вихрь, который распространяется вдоль вершин двух первых ребер, захватывая поток первой межреберной полости. Увеличение ширины первого ребра может решить эту проблему. Полученная таким образом конфигурация потока может быть востребована при создании технических решений, требующих регулярных структур в первой полости. Линии тока указывают на то, что первое ребро ведет себя как выступ, когда его ширина L₁ > 5h, причем регулярные структуры в потоке наблюдаются с первой межреберной полости. Эффект от расширенного первого ребра иллюстрируется профилями коэффициентов давления и трения, а также профилями турбулентной кинетической энергии. Влияние этого эффекта также отражается на коэффициенте трения Дарси. Силы вязкости и давления, действующие на первое ребро и на пространство между 5-м и 6-м ребрами демонстрируют, что сила давления является доминирующей. Коэффициент трения Дарси, характеризующий поток, и коэффициент сопротивления давления, полученные для полости между пятым и шестым ребрами, не зависят от числа Рейнольдса при наличии выступа шириной L₁ > 5h, в то время как сила сопротивления на первом ребре увеличивается с увеличением числа Рейнольдса.

Представлены результаты исследования динамики полета летательного аппарата осесимметричной конфигурации при применении в качестве управляющего воздействия выдува газовой струи. Рассмотрены и проанализированы различия в траекториях полета с учетом и без учета перераспределения давления по поверхности летательного аппарата вследствие выдува поперечной газовой струи. Для проведения исследования создана программа, основанная на уравнениях движения материальной точки в пространстве и поворота летательного аппарата вокруг центра масс. Показанно влияние перераспределения давления по поверхности летательного аппарата осесимметричной конфигурации вследствие выдува боковой поперечной газовой струи на траекторию движения и на скорость отклонения по углу рысканья.

Проведено сравнение измеренной ранее и рассчитанной в настоящей работе деформации податливого покрытия в турбулентном течении. Рассчитанная спектральная плотность деформаций покрытия на низких частотах (25-250 Гц) оказалась почти на два порядка выше измеренной, а среднеквадратичное значение величины измеренной деформации ¾ в семь раз меньше расчетной. Рассчитан переходный режим установления вынужденных колебаний покрытия под действием волны давления. Показано, что покрытие практически всегда работает в переходном режиме, не достигая максимальных амплитуд деформаций, которые характерны для установившегося режима. Сделан вывод о необходимости использования более сложных граничных условий, учитывающих нестационарность процесса, т.к. амплитуда деформации покрытия сложным образом меняется за время жизни организованных структур, движущихся в турбулентном пограничном слое.

Методом прямого численного моделирования и на основе уравнений пограничного слоя рассчитаны параметры сверхзвукового пограничного слоя на плоской пластине при сублимации материала с поверхности при числе Маха M = 2. В качестве сублимирующего вещества рассматривается нафталин (C₁₀ H₈). Сопоставление результатов двух методов ¾ численного моделирования и данных, полученных на основе локально автомодельного пограничного слоя, ¾ показало удовлетворительное соответствие. С помощью расчетов установлено, что с повышением температуры поверхности увеличивается масса испарения нафталина. При этом суммарный тепловой поток к твердой стенке уменьшается, а ее температура понижается в сравнении со случаем обтекания пластины без сублимации. Вследствие превышения в несколько раз молекулярного веса нафталина над молекулярным весом воздуха и понижения температуры поверхности в результате испарения материала стенки наблюдается повышение плотности бинарной смеси воздуха и паров сублимирующего вещества вблизи стенки, что может приводить к повышению устойчивости сверхзвукового пограничного слоя и к затягиванию его перехода в турбулентное состояние.

В работе анализируется сложная топология закрученных течений, генерируемых в цилиндре его вращающимся торцом. С помощью визуализации течения при различных параметрах крутки верхнего торца цилиндра показаны общие закономерности эволюции области с противотоком (пузыревидный распад вихря) вне зависимости от контакта исследуемого вихревого потока с различными жидкостями или газом на свободном торце. В ходе исследований впервые установлено, что сценарий возникновения области пузыревидного распада слабо зависит от свойств среды, ограничивающей циркуляцию рабочей жидкости, но существенно отличается от динамики вихревых течений, ограниченных «твердой» второй стенкой ¾ неподвижным торцом цилиндра. Например, при распаде приосевого вихря выявлены режимы стационарного вихревого движения с возникновением контакта рециркуляционной зоны с поверхностью границы раздела двух сред, что не свойственно замкнутым течениям. Полученные результаты представляют интерес для дальнейшего развития вихревых аппаратов и реакторов, обеспечивающих сложное вихревое движение ингредиентов для интенсификации массопереноса, как в отношении оптимизации работы действующих установок, так и для проектирования новых устройств.

Работа посвящена разработке газодинамической модели движения многоскоростных континуумов в соплах сложной формы, моделирующих форму двухступенчатого конфузорного воздухоочистителя. Исследовано влияние силового взаимодействия газовой и дисперсной фаз на структуру течения газопылевого потока в проточной части сопла в широком диапазоне изменения определяющих параметров невозмущенного потока. Особое внимание уделено режимам движения газодисперсных потоков в криволинейных каналах с большим массовым содержанием дисперсной фазы во входном сечении канала (сопла). Создана математическая модель, позволяющая учитывать влияние частиц, отскочивших от стенок сопла, на распределение как газовой, так и дисперсной фазы во всей рассматриваемой области. Показано, что учет отскочивших частиц приводит к наличию экстремума в распределении массовой концентрации дисперсной фазы в проточной части сепаратора.

Проведены экспериментальные исследования теплообмена одиночного шара в цилиндрическом канале с мелкодисперсным водовоздушным потоком (аэрозолью). В стационарных условиях нагрева получены значения коэффициентов теплоотдачи в зависимости от числа Рейнольдса и степени увлажнения потока. Предложена физическая модель теплообмена шаровой поверхности с водовоздушным потоком, позволяющая оценить процессы протекания отдельных стадий испарения капель в потоке вблизи нагретой поверхности и образования пленки воды на самой поверхности. Выполнена оценка относительной массы капельной влаги, оседающей на поверхности шара, в зависимости от плотности орошения и числа Рейнольдса потока. Получено критериальное уравнение, обобщающее экспериментальные данные в виде зависимости числа Нуссельта от режимных параметров Рейнольдса, Вебера и параметра фазового перехода воды в пар.

Экспериментально исследована динамика испарения с поверхности горизонтального слоя жидкости (этанола) ограниченного размера под действием потока газа (воздуха). Изучено влияние продольного размера межфазной поверхности (0,01-0,03 м) на удельную массовую скорость испарения. Установлено, что удельная массовая скорость испарения уменьшается с увеличением протяженности межфазной поверхности вследствие уменьшения градиента концентрации пара в пограничном слое.

В рамках тепловой энергетической схемы численным методом моделируется рост парового пузырька в однородно перегретой жидкости. Результаты численных расчетов хорошо согласуются с решением [3] в широком диапазоне чисел Якоба. Показано, что учет проницаемости межфазной поверхности при высоких значениях числа Стефана дает хорошее совпадение с результатами численных расчетов.

Проведен численный анализ теплового состояния двухслойной полупрозрачной системы, моделирующей расположенный на непрозрачной полубесконечной подложке гипотетический снежный покров, слои которой имеют различные коэффициенты поглощения и рассеяния. Расчеты выполнены при значениях определяющих параметров задачи, характерных для зимнего времени. Показано, что в зависимости от оптической толщины слоев, преобладания в них поглощения или рассеяния падающего внешнего излучения более интенсивно могут прогреваться подповерхностные или более глубокие слои снежно-ледовой толщи. Для решения радиационной части задачи используется подход на основе модифицированного метода средних потоков, с помощью которого учитываются зависимость оптических свойств от длины волны падающего излучения, рассеяние, отражательная способность границ слоя.

Лазерно-импульсным методом измерена температуропроводность сплава La_98.8 Fe_1.2 в температурном интервале 293-1623 K твердого и жидкого состояний, включая области фазовых превращений. Погрешности измерений составили ± (3-6) %. Получены аппроксимирующие уравнения и таблицы справочных данных по теплопроводности и температуропроводности сплава La_98.8 Fe_1.2 для научного и практического использования. Проведено сопоставление результатов измерений с известными литературными данными по температуропроводности чистого лантана.

В работе проводятся экспериментальные и численные исследования влияния механоактивационного измельчения углей на время их воспламенения в вертикальном трубчатом реакторе. Эксперименты показали, что уголь, измельченный мельницей-активатором (мельницей дезинтеграторного типа), воспламеняется быстрее благодаря эффекту механоактивации. По результатам численных расчетов процессов воспламенения и горения механоактивированного пылеугольного топлива видно, что использование нестационарных методов моделирования турбулентности и модели выхода летучих веществ с учетом структуры угольного вещества позволяют оценить вклад механоактивационного измельчения в интенсивность выхода летучих веществ.

Работа посвящена экспериментальному исследованию переходных режимов течения, реализующихся в лабораторной модели отсасывающей трубы гидротурбины при изменении управляющих параметров установки. Рассматривается переход от режима частичной нагрузки, при котором происходит формирование прецессирующего вихревого ядра, к точке максимальной эффективности, когда это ядро отсутствует. Экспериментальная установка в целях точного задания скорости вращения рабочего колеса и расхода рабочей среды управлялась специальным программным обеспечением. Для обеспечения точного многократного воспроизведения заданного цикла перехода между двумя режимами управляющая программа была модернизирована. С использованием специально разработанной процедуры фазового осреднения сигнала лазерного доплеровского анемометра (ЛДА), записанного при многократном повторении переходных режимов, были получены профили скоростей для разных фаз изменения условий работы установки.

Рассматривается задача о течении вязкой жидкости, граничащей с твердым телом и газом. Жидкость испытывает колебательные воздействия, не имеющие выделенного направления в пространстве. Обнаружен новый гидромеханический эффект, состоящий в том, что свободные части гидромеханической системы (жидкие слои) на фоне колебаний совершают однонаправленное, стационарное вращательное движение.