Главная – Журналы – Прикладная механика и техническая физика 2020 номер 5

5 ноября 2020 г. исполняется 80 лет Василию Михайловичу Фомину - выдающемуся российскому ученому, профессору, доктору физико-математических наук, действительному члену Российской академии наук, крупному специалисту в области механики сплошных сред и машиностроения, основателю научной школы по моделированию ударно-волновых процессов в многокомпонентных и гетерогенных средах.

Исследуется устойчивость дозвукового пограничного слоя при введении тепла в его узкую полосу. Установлено, что максимальная протяженность устойчивого пограничного слоя при подводе тепла уменьшается приблизительно в три раза по сравнению со случаем теплоизолированной стенки в отсутствие подвода тепла. Диапазон частот возмущений и степень их роста увеличиваются приблизительно в два раза. В отличие от случая отсутствия подвода тепла наиболее быстро растет трехмерное возмущение. В случае нагретой стенки при введении тепла внутрь пограничного слоя скорость роста возмущений уменьшается, что может привести к увеличению протяженности ламинарного участка пограничного слоя.

Представлены результаты экспериментального и численного моделирования сверхзвукового обтекания под различными углами атаки цилиндра с передней газопроницаемой высокопористой вставкой. Эксперименты проведены в сверхзвуковой аэродинамической трубе при числе Маха M_∞=7 и единичном числе Рейнольдса Re₁=1,5 х 10⁶ м^-1 в диапазоне углов атаки 0÷25^о. Численное моделирование выполнено на основе решения трехмерных уравнений Навье - Стокса, осредненных по Рейнольдсу, с использованием трехмерной кольцевой скелетной модели пористого материала. Получены экспериментальные и расчетные значения коэффициентов сопротивления и подъемной силы цилиндра со вставкой с пористостью 95 % и диаметром пор 2 мм при различных значениях длины вставки и угла атаки.

Представлен обзор проведенных в 80-х гг. XX в. летных исследований, в которых изучался процесс перехода от ламинарного течения к турбулентному в пограничном слое на крыле планера при различных уровнях атмосферной турбулентности. Результаты получены с помощью термоанемометрических измерений и посредством визуализации течения на поверхности крыла методом сублимирующих покрытий. Установлено, что переход происходит в несколько этапов: возникновение, развитие и разрушение дискретного пакета волн неустойчивости в области неблагоприятного градиента давления. Проведено сравнение полученных данных с результатами аналогичных исследований в большой аэродинамической трубе на таком же реальном крыле планера при натурных числах Рейнольдса.

Представлены результаты исследования ламинарного отрывного течения в угле сжатия при значениях числа Маха набегающего потока M = 6; 8. Рассмотрена ударно-волновая структура течения в области присоединения. Исследован механизм формирования высоконапорного слоя, представляющего собой узкую область газа, расположенную над пограничным слоем ниже по потоку от линии присоединения.

Проведено численное моделирование взаимодействия ламинарного пограничного слоя с ударной волной при значении числа Маха M=1,43. Выполнено сравнение результатов, полученных путем прямого численного моделирования, и результатов расчетов с использованием осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье - Стокса, дополненных разными моделями турбулентности, описывающими ламинарно-турбулентный переход. Оценена возможность определения положения зоны турбулизации течения на основе линейной теории устойчивости и e^N-метода. На основе результатов сравнения численного моделирования с экспериментальными данными установлена возможность использования инженерных RANS-методов для исследования сверхзвуковых течений, турбулизация которых происходит в областях взаимодействия ударной волны с пограничным слоем.

Представлен краткий обзор наиболее значимых работ в области магнитоплазменной аэродинамики, проводившихся в Институте теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН в последние 20 лет.

Исследовано влияние искривления траекторий движения газа на начальном участке сверхзвуковой неизобарической струи на характеристики нестационарных возмущений из класса неустойчивости Кельвина - Гельмгольца. Показано, что при наличии бочкообразной структуры на начальном участке возникают стационарные возмущения Тейлора - Гертлера в виде продольных структур (полосчатых образований). Исследования проведены для слоя смешения при числе Маха $\M=1{,}5$. Рассмотрена возможность усиления и подавления роста волн Кельвина - Гельмгольца стационарными волнами Тейлора - Гертлера. Нелинейная задача решена в рамках трехволновых резонансных взаимодействий в локально-параллельном приближении. Волной накачки является стационарная волна Тейлора - Гертлера. Показано, что на начальном участке может происходить как усиление, так и подавление бегущих волн малой амплитуды.

С использованием PIV-метода проведено измерение скорости течения в зоне взаимодействия ударной волны с пограничным слоем на пластине при значении числа Маха M=1,43. Рассмотрено два состояния набегающего пограничного слоя: ламинарный и турбулентный, причем толщина пограничного слоя может быть на два порядка меньше характерного продольного масштаба течения. Выполнено сравнение результатов измерения скорости в пограничном слое, полученных с помощью PIV-метода при различных настройках аппаратуры, и результатов измерений, выполненных с использованием различных алгоритмов определения смещения частиц-трассеров и восстановления по ним полей скорости. Показано, что основным ограничением для увеличения пространственного разрешения является инерция частиц-трассеров.

Проведены экспериментальные исследования факельного диффузионного горения газа при различных расходах CH₄-N₂ и постоянном расходе угля. Получены кривые уноса диффузионного пламени для различных диаметров сопла. Показано, что увеличение диаметра сопла приводит к уменьшению минимального остатка расхода горючего газа, при котором возможно устойчивое горение. Незначительное уменьшение остатка расхода горючего газа наблюдается также при подаче угля. Проведена регистрация флюоресцентного свечения OH, позволяющего анализировать положение и динамику фронта пламени.

Проведено численное моделирование структурных изменений сверхзвукового течения в канале переменного сечения при осевой подаче керосина под воздействием струи, создающей эффект дросселя. Решались осредненные уравнения Навье-Стокса, замыкаемые (κ-ε)-моделью турбулентности. Горение керосина моделировалось с помощью уравнений упрощенной химической кинетики. Выполнен численный и аналитический анализ развития процессов в канале для различных видов топлива (водорода, этилена и керосина) и проведено сравнение с экспериментальными данными. Установлено, что в случае использования керосина для формирования околозвуковой области необходимо применять газодинамические импульсы большей интенсивности.

Разработана и усовершенствована гибридная (с использованием методов молекулярной динамики и Монте-Карло) модель расчета течения газа в цилиндрическом канале с учетом теплообмена между молекулами газа и поверхностью и адсорбции молекул на поверхности канала. Рассмотрены два варианта течений в канале: течение, при котором полное количество молекул в системе не менялось со временем, и течение, при котором имитируется бесконечный объем колб или колбы с постоянным давлением. Исследованы три варианта моделирования взаимодействия молекул со стенками: 1) молекула упруго рассеивается с вероятностью WE; 2) происходит неупругое рассеяние (рассеяние с энергообменом) с вероятностью WT; 3) с вероятностью WA реализуется осаждение (адсорбция) молекулы на поверхность твердого тела. При этом сумма вероятностей равна единице. Установлено, что учет адсорбции оказывает значительное влияние на скорость центра масс молекул и на плотность потока молекул в расчетных объемах.

Разработана технология выращивания костной ткани на тонком скаффолде в ротационном биореакторе. Для отработки метода определен оптимальный режим культивирования клеточного материала и разработан оптический метод диагностики развития костной ткани в процессе ее выращивания. Проведено численное моделирование течения жидкости в биореакторе, позволившее значительно упростить проведение медицинского эксперимента и выбрать оптимальные значения частоты вращения и касательных напряжений, действующих на размещенный на скаффолде клеточный материал. Оптическая диагностика образцов скаффолда в процессе динамического культивирования в биореакторе проведена с помощью метода лазерно-индуцированной флюоресценции. С использованием алгоритма на основе метода главных компонент проведен анализ спектральных данных, позволивший вычислить спектры возбуждения и флюоресцентного излучения основных флюоресцирующих веществ в образце (аминокислот тирозина и триптофана, структурного белка коллагена и флюоресцирующих структур поликапролактона). Установлено, что в процессе динамического культивирования в образцах увеличивается вклад компоненты, соответствующей коллагену, что свидетельствует об эффективном формировании внеклеточного матрикса кости.

Представлены результаты численного исследования влияния положительного продольного градиента давления при внезапном расширении трубы на структуру турбулентного двухфазного течения и локальный теплоперенос. Показано, что продольный градиент давления оказывает существенное влияние на характеристики течения и теплоперенос в газокапельном отрывном потоке. Увеличение угла раскрытия диффузора приводит к значительному увеличению степени турбулентности течения (практически в два раза по сравнению с газокапельным течением при внезапном расширении трубы при φ = 0 ^oC. Установлено, что в исследуемом течении существенно увеличивается длина зоны рециркуляции по сравнению с отрывным газокапельным потоком при φ = 0 ^oC и смещается точка максимума интенсивности теплообмена вниз по течению. При этом координата точки максимума интенсивности теплоотдачи не совпадает с координатой точки присоединения оторвавшегося двухфазного потока.

Представлен краткий обзор выполненных в Институте теплофизики СО РАН экспериментальных исследований истечения струй жидкостных ракетных двигателей малой тяги, используемых в качестве двигателей управления и ориентации космических аппаратов включая Международную космическую станцию. Сформулированы критерии моделирования параметров газового потока и пристенной пленки жидкости, используемой для охлаждения сопла. Приведено описание экспериментальной установки, методов диагностики, а также результатов исследования взаимодействия пристенной пленки жидкости со спутным газовым потоком внутри сверхзвукового сопла и при струйном истечении в вакуум. Исследуются проблемы минимизации обратных потоков, приводящих к загрязнению внешней, присопловой поверхности космических аппаратов.

Представлены результаты экспериментальных исследований течения с использованием прототипа микрогидротурбины пропеллерного типа. Опыты проводились на стенде, где в качестве рабочей среды применялся атмосферный воздух. По данным проведенных измерений с использованием двухкомпонентной системы лазерно-доплеровского анемометра получены распределения скоростей за рабочим колесом при изменении в широком диапазоне режимов работы установки. Показано, что созданная модельная микрогидротурбина имеет оптимальные параметры для условий, которые задавались при проектировании, а изменение режима работы установки от номинальных параметров в сторону недогрузки или перегрузки приводит к увеличению остаточной закрутки потока и генерации сильной гидродинамической неустойчивости в форме прецессирующего вихревого жгута. При этом имеют место неравномерное по сечению распределение осевой скорости и повышенный уровень пульсаций потока.

C использованием метода лазерной доплеровской анемометрии исследована аэродинамика лабораторной модели усовершенствованной топки с четырехвихревой схемой сжигания угольного топлива. Для изотермического случая получены распределения осредненной скорости и пульсаций скорости для различных режимов течения. Описаны основные особенности течения. Проведено сравнение результатов экспериментов с данными измерений, выполненных ранее с помощью PIV-метода, и показано, что они хорошо согласуются.

Развит метод газофазного осаждения алмазных структур с использованием высокоскоростной струи для переноса активированных в сверхвысокочастотной плазме газов к подложке. Алмаз синтезировался из смеси водорода с метаном, концентрация которого составляла 1 %. Исследовано влияние расхода газовой смеси на синтез алмазных структур при неизменных составе подаваемой смеси, давлении в камере осаждения и температуре подложки. Установлено, что увеличение расхода приводит к увеличению плотности поликристаллической пленки и размера кристаллов алмазов, формирующих пленку. Проведен численный анализ состава смеси на выходе из разрядной камеры в зависимости от расхода смеси. Показана корреляция состава смеси со скоростью роста и качеством алмазных структур.

Исследуются проблемы, возникающие при анализе физико-механических свойств композиционных материалов на полимерных матрицах. Обсуждаются структурные особенности таких материалов и обусловленные ими сложности разработки и реализации соответствующих моделей. Предложена методика определения эффективных деформационно-прочностных, теплофизических и электрофизических свойств композиций, а также рассмотрен ряд примеров. Особое внимание уделено решению задач компьютерного конструирования для определения состава и структуры композитов при заданных ограничениях на их эффективные свойства. Исходные данные для решения этих задач получены как в натурных, так и в вычислительных экспериментах. Определены направления дальнейших исследований.

Представлен обзор работ, посвященных исследованию механических свойств, устойчивости и выпучивания графена и углеродных нанотрубок. Большая часть приведенных результатов получена методами молекулярной динамики и молекулярной механики, которые позволяют эффективно исследовать механические свойства и устойчивость наноструктур. Представлены данные о прочности графена, проанализированы изгибные моды для графеновых листов "кресло" и "зигзаг". Проведен анализ устойчивости и изгибных мод собственных колебаний нанотрубок "зигзаг" и "кресло".

Для верификации параметров баллистической стойкости пластин из керамик Al₂O₃, _B4C и SiC выполнена серия расчетов на основе экспериментальных данных о глубине проникания ударников в пластины. Проведено моделирование взаимодействия ударника из стали в виде сердечника с мишенью из алюминиевого сплава, перед которой закреплена керамическая пластина переменной толщины. Проведено сравнение результатов расчета и экспериментальных данных для различных керамических преград толщиной 1-5 мм при скорости взаимодействия с ударником 810÷850 м/с.

Выполнена серия численных расчетов параметров соударения компактных тел различной формы с массивными мишенями. Экспериментально показано, что зависимость безразмерной глубины кратера, образованного ударниками различной формы, от безразмерной кинетической энергии описывается единой кривой моделирования процесса.

Рассматривается энергетический подход к оценке состояния церебральной аневризмы как гидроупругой системы, состоящей из упругой стенки сосуда и набегающего потока крови. В предположении, что упругая энергия сосуда с аневризмой в совокупности с энергией изгибания и кинетической энергией затрачивается лишь на вязкую диссипацию потока в конструкции, выполнена серия численных расчетов для модельных конфигураций фузиформной аневризмы в отсутствие и при наличии дивертикула различного размера относительно размера тела аневризмы. Показано, что диаграммы давление - скорость хорошо согласуются с клиническими данными. С помощью численного моделирования показано, что при малом размере дивертикул оказывает существенное влияние на гемодинамику внутри тела аневризмы, в то время как при большом размере дивертикула вихрь, индуцируемый внутри дивертикула, почти полностью локализуется в нем.

Приведены результаты экспериментального исследования микроструктуры и микротвердости функционально-градиентного материала на основе нержавеющей стали марки 316L и керамических частиц карбида вольфрама WC с использованием метода аддитивного лазерного сплавления. Получены бездефектные качественные металлокерамические покрытия с различным содержанием керамики. С использованием методов оптической и сканирующей электронной микроскопии, энергодисперсионного анализа показано, что в результате лазерного воздействия происходит растворение частиц керамики WC. В составе сформированного покрытия, имеющего дендритный характер, присутствуют карбиды на основе железа и хрома. Диапазон значений микротвердости в сформированном покрытии составил HV_0,3=280-430.

Экспериментально исследованы процессы формирования однослойного и многослойного графена методом химического осаждения из газовой фазы. Проведен анализ структуры покрытий, формирующихся при различных температуре и составе газовой смеси. Разработаны режимы переноса графеновых структур на различные поверхности. Получены прозрачные гибкие проводящие композиты полиэтилентерефталат - этиленвинилацетат - графен и полиметилметакрилат - графен.

Исследовано влияние наноразмерного диоксида кремния на механические свойства, текстуру и структуру полимерного лакокрасочного покрытия из эмали ХВ-16 серого цвета на основе перхлорвиниловой и глифталевой смол. Обнаружено увеличение прочности на истирание, твердости, модуля упругости по сравнению с исходным покрытием. С использованием различных методов проведен анализ структуры полученных образцов лакокрасочных покрытий. Установлено, что изменение структуры и улучшение механических свойств покрытий обусловлены появлением в композиционном покрытии новых структурообразующих центров вследствие добавления наноразмерного диоксида кремния.